Author: Глаголева Е.Г. Беркинблит М.Б.
Tags: электричество магнетизм электромагнетизм физика биофизика работа нервных клеток электрические процессы в клетках
ISBN: 5-02-013877-0
Year: 1988
Text
БИБЛИОТЕЧКА-КВАНТ
выпуск 69
М. Б. БЕРКИНБЛИТ
Е.Г. ГЛАГОЛЕВА
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО
В ЖИВЫХ
ОРГАНИЗМАХ
БИБЛИОТЕЧКА’КВАНТ*
выпуск 69
М.Б. БЕРКИНБЛИТ
Е.Г. ГЛАГОЛЕВА
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО
В ЖИВЫХ
ОРГАНИЗМАХ
МОСКВА «НАУКА»
ГЛАВНАЯ РЕДАКЦИЯ
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1988
Scan AAW
ББК 22.33
Б48
УДК 537(023)
Серия «Библиотечка «Квант»
основана в 1980 г.
РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ
Академик Ю. А. Осипьян (председатель), академик |А. Я. Кол-
могоров! (заместитель председателя), доктор физико-математических
наук А. И. Буздин (ученый секретарь), академик А. А. Абрикосов,
академик А. С. Боровик-Романов, академик Б. К. Вайнштейн, за-
служенный учитель РСФСР Б. В. Воздвиженский, академик
В. Л. Гинзбург, академик Ю. В. Гуляев, академик А. П. Ершов,
профессор С. П. Капица, академик А. Б. Миг дал, академик
С. П. Новиков, академик АПН СССР В. Г. Разумовский, академик
Р. 3. Сагдеев, профессор Я. А. Смородинский, академик С. Л. Со-
болев, член-корреспондент АН СССР Д. К. Фаддеев
Рецензент
кандидат физико-математических наук К. Ю, Богдане9
Беркинблит М. Б., Глаголева Е. Г.
Б48 Электричество в живых организмах.— М.: Наука.
Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988.— 288 с.— (Б-чка
«Квант»; Вып. 69)
ISBN 5-02-013877-0
В популярной форме рассказывается о том, откуда берется
электричество в живых клетках и как оно используется
организмами. Рассматривается работа нервных клеток, пе-
редача сигналов по нервным волокнам, электрические про-
цессы в органах чувств, в сердце, мышцах и железах, у бак-
терий и одноклеточных организмов и т. д. Рассказывается
о «молекулярных машинах», управляющих электрическими
процессами в клетках и клеточных органеллах. Большое
внимание уделено истории открытий в электробиологии и
людям, сделавшим эти открытия.
Для школьников, преподавателей, студентов.
1704040000—183 л ~ ~
Б 053(02)-88 177-88
ББК 22.33
ISBN 5-02-013877-0
© Издательство «Наука».
Главная редакция
физико-математической
литературы, 1988
Памяти Луиджи Гальвани, кото-
рый 200 лет назад, экспериментируя
с лапкой лягушки положил начало
электробиологии
ПРЕДИСЛОВИЕ
О чем эта книга? Что можно из нее узнать?
Самим фактом, что в живых организмах происходят
разнообразные электрические процессы^ сегодня никого
не удивишь. Это для нас так же привычно,; как электри-
ческое освещение или радиопередача. Почти каждый чело-
век на протяжении жизни раз-другой снимал электрокар-
диограмму, и ее сокращенное название — ЭКГ — сейчас
широко известно. Сокращение ЭЭГ (что означает электро-
энцефалограмма) менее известно, но о том^ что существу-
ют биотоки мозга, тоже слышали все. Управление с по-
мощью этих биотоков космическими кораблями или вос-
создание картин, как в «Марракотовой бездне» А. Конан
Дойля или в «Аэлите» А* Н. Толстого^ встречаются пока
еще только в фантастических романах, а вот биопротезыш
управляемые биотоками мышц,— реальность. Упомяну-
тые нами примеры связаны с электрическими процессами
в мозге и мышцах, где роль электричества проявляется
наиболее ярко.
Гораздо менее известно, что электрические явления
играют столь же важную роль в работе всех других орга-
нов человека и животных: желудка, почек, желез и т. д.
Более того, кого бы из представителей живой природы мы
ни взяли: мельчайшую бактерию или самого большого из
зверей — голубого кита, гриб боровик или лакомящуюся
им белку — их жизнедеятельность неразрывно связана
с разнообразными электрическими явлениями.
Мы расскажем в этой книге, что такое «животное элект-
ричество», где оно возникает и как используется в орга-
низмах (это главная тема книги).
Однако кроме «животного электричества» у этой кни-
ги есть второй главный герой — наука электробиология.
Действительно, все, что мы можем рассказать, является
достижением этой науки* Когда рассматривают научные
3
успехи, чаще всего говорят о том, что сделано. Но есть
еще вопросы — как и кем это сделано.
В этой книге мы старались не только сообщать факти-
ческие сведения о «животном электричестве», но и по ме-
ре возможности рассказать, как они были получены, т. е.
рассказать о научном поиске. Это представляется нам не
менее интересным, чем детектив, и не менее важным, чем
перечень конкретных результатов.
Науку делают реальные люди. По мере того как мы
отдаляемся от них во времени, теряется индивидуальная
принадлежность открытий. Мы сейчас с малых лет знаем
о проводниках электрического тока. И относимся к это-
му знанию так, как будто оно было присуще человечеству
вечно. Но ведь это совсем не так! За каждым научным
термином — «проводник», «напряжение», «электрон» —
стоят труд, опыты, размышления конкретных людей. И об
этих людях надо хоть изредка вспоминать.
Есть два разных стиля в науке и в жизни. Например,
при одном стиле улицы города делят на «авеню» и «стриты»
и присваивают им номера. Это удобно, но улицы обезли-
чены. При другом — улицы называют именами людей,,
которые на них жили или погибли, защищая их. Раньше
существовала традиция связывать научные открытия
с именами авторов. Крупные клетки мозжечка называли
клетками Пуркинье, индукционную катушку — катуш-
кой Румкорфа, один из типов двигателей внутреннего
сгорания назвали именем Дизеля, а лучи — рентгенов-
скими. Сейчас эта традиция исчезает. И, пожалуй, зря.
Есть хороший лозунг: «Страна должна знать своих ге-
роев!».
Мы хотим познакомить читателя и с открытиям^ и
с героями страны^ имя которой электробиология.
ГЛАВА 1
РОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОБИОЛОГИИ
Наука представляет собой внутренне единое цедре.
М, Планк
Наука захватывает нас только тогда, когда, заинтересовав-
шись жизнью великих исследователей, мы начинаем следить
за историей их открытий.
Дж. К. Максвелл
Мы далеко не всегда знаем даты, связанные
с великими учеными прошлого. Например, неизвестен день
рождения Аристотеля. Тем более трудно говорить о дне
рождения науки. Кажется, что она развивается непрерыв-
но и время ее рождения можно определить только, ска-
жем, с точностью до десятилетия, а порой и столетия.
Но вот науке электробиологии в этом отношении повез-
ло — ее днем рождения считается 26 сентября 1786 г*
В этот день итальянский врач и ученый Луиджи Гальва-
ни сделал важное открытие, Работа, которая привела к
этому открытию, началась с одного наблюдения.
Вот как сам Гальвани описывает это в своем «Трактате
о силах электричества при мышечном движении», вышед-
шем в 1791 г.: «Я разрезал и препарировал лягушку...
и, имея в виду совершенно другое, поместил ее на стол^
на котором находилась электрическая машина... при пол-
ном разобщении от кондуктора последней и на довольно
большом расстоянии от него. Когда один из моих помощ-
ников острием скальпеля случайно очень легко коснулся
внутренних бедренных нервов этой лягушки, то немедлен-
но все мышцы конечностей начали так сокращаться, что
казались впавшими в сильнейшие тонические судороги.
Другой же из них, который помогал нам в опытах по элек-
тричеству, заметил, как ему казалось, что это удается
тогда, когда из кондуктора машины извлекается искра...
Удивленный новым явлением, он тотчас же обратил на не-
го мое внимание, хотя я замышлял совсем другое и был
поглощен своими мыслями. Тогда я зажегся невероятным
усердием и страстным желанием исследовать это явление
и вынести на свет то, что было в нем скрытого».
Когда читаешь начало этого трактата, то открытие
Гальвани выглядит едва ли не чистой случайностью: по-
чему-то человек препарировал лягушку на столе, где за-
чем-то стояла электрическая машина, А какие опыты по
5
электричеству собирался ставить Гальвани? Ведь он был
врач, а не физик.
Чтобы ответить на все эти вопросы и понять, как воз-
никла новая наука — электробиология, нам придется
хотя бы в общих чертах представить себе атмосферу той
эпохи, когда работал Гальвани, узнать, как ученые того
времени трактовали такие понятные теперь каждому стар-
шекласснику явления^ как электрический заряд и сокра-
щения мышц*
Историческая экспозиция
Итак, 1786 год, конец XVIII века — века
Просвещения, который для науки был тем же, чем XV —
XVI века — века Возрождения — были для искусства*
В сущности, естественные науки в подлинном смысле
этого слова возникли именно в эту эпоху. Изменилось
само содержание таких понятий,; как наука, ученый; те-
перь ученым считали не богослова,; а исследователя при-
роды. К концу XVIII века в науку прочно вошел экспе-
риментальный метод, который продемонстрировал свою
силу; появились такие приборы^ как микроскоп и теле-
скоп. Возникла вера в силу и могущество науки, надежда,
что развитие науки и распространение знаний изменит
облик мира*
В век Просвещения велась широкая пропаганда нау-
ки — устная и печатная. Во Франции с 1761 по 1788 гг.
издается знаменитая энциклопедия, где были изложены
основные достижения науки* Выходит много учебников,
научных и научно-популярных книг. Ученые читают пуб-
личные лекции,, на которые ходят люди самого разного
общественного положения*
Живой интерес к науке проявляли представители са-
мых разнообразных слоев общества. Придворные дамы
и кавалеры стали уже не только разыгрывать пасторали-
балеты и сочинять латинские стихи, но и собирать герба-
рии; богачи хвастались не только столовым серебром ра-
боты Челлини, но и коллекциями редких бабочек или са-
дом с заморскими растениями.
Экспериментальный метод вошел в это время не толь-
ко в научные исследования,; но и в преподавание, и в про-
паганду науки. Возник, как сейчас бы сказали, настоящий
экспериментальный бум* Опыты демонстрировались не
только среди специалистов, в научных кружках, лабора-
ториях любителей^ но и на публичных лекциях и даже
6
в придворных салонах (интересоваться наукой было мод-
но и среди коронованных особ). Иногда даже опыты
проходили на глазах у всего народа (вспомним, например,
знаменитые Магдебургские полушария). Опытам часто
придавали интересную форму — опыт должен быть
сродни фокусу^ с неожиданным эффектом^
Немного о Гальвани
Луиджи Гальвани родился в Болонье 9 сен-
тября 1737 г. Внешне его жизнь была ничем не приме-
чательна > В 1759 г. он окончил Болонский университет
(один из самых старых в Европе: он основан еще в 1119 г.)
и остался в нем работать. Он занимался медициной и ана-
томией. Его диссертация была посвящена строению кос-
тей; кроме того, он изучал строение почек и уха птиц.
Гальвани получил ряд новых данных, но опубликовать
их ему не пришлось, так как чуть раньше большинство
этих фактов были описаны итальянским ученым А. Скар-
на. Эта первая научная неудача не обескуражила Галь-
вани. В 1762 г. в возрасте 25 лет Гальвани начал препо-
давать медицину в Болонском университете, через год
стал профессором, а в 1775 г.— заведующим кафедрой
практической анатомии. Он был прекрасным лектором,]
и его лекции пользовались большим успехом у студентов.
Много работал он и как хи-
рург. Медицинская практика
и преподавательская работа
отнимали много времени, но
Гальвани как истинный сын
своей эпохи не бросал и
чисто научную работу: и опи-
сательную, и особенно экс-
периментальную. С 1780 г.
Гальвани начал работу по
физиологии нервов и мышц,
которая принесла ему все-
мирную славу и множество
неприятностей.
Итак, понятно, почему
врач Гальвани ставил экспе-
рименты и почему у него на
столе был препарат лягушки.
Но причем тут электрическая
машина?
Луиджи Гальвани
(1737-1798)
7
Почему на столе у Гальвани стояла
электрическая машина
Посмотрим, что мог знать Гальвани об элект-
ричестве и почему оно могло его интересовать. До начала
XVIII века науки об электричестве фактически не сущест-
вовало, и по очень простой причине — нечего было изу-
чать. В самом деле, с античных времен люди знали о лю-
бопытных свойствах янтаря, встречались, конечно, и с та-
кими явлениями, как молния, были знакомы даже
с «животным электричеством», но никому и в голову не при-
ходило, что между громом небесным, еле слышным потрес-
киванием янтаря и ударом средиземноморского ската есть
что-то общее. Даже самого слова «электричество» не было.,
Его ввел в науку один из ученых Нового времени — при-
дворный врач английской королевы Елизаветы — Джиль-
берт, который показал, что не только янтарь, но и другие
тела (алмаз, сера, смола и др.), если их потереть, притя-
гивают легкие предметы. Эти тела он назвал электриче-
скими. Металлы ему наэлектризовать не удалось, и он
пришел к выводу,; что в них электричество не возникает*
(Этот вывод,; благодаря авторитету Джильберта, продер-
жался свыше 200 лет — запомните его: он сослужил пло-
хую службу Гальвани.)
Всерьез наука об электричестве начала развиваться
именно в XVIII веке. Прежде всего люди научились по-
лучать электричество. В самом начале XVIII века англий-
ский физик-экспериментатор Ф. Гауксби создает одну
из первых электрических машин со стеклянным шаром,;
который приводился в быстрое вращение с помощью боль-
шого колеса и шкива. Усовершенствованные электрические
машины служили более надежным источником электриче-
ства, чем кусочек янтаря или серы. Они позволяли полу-
чать высокие напряжения и искровой разряд, что сделало
возможным систематическое изучение электрических яв-
лений.
Уже в первой половине XVIII века были сделаны пер-
вые важные открытия в области электричества. В 1729 г.,
английский физик С. Грей обнаружил, что вещества де-
лятся на проводники и изоляторы. В 1733 г. французский
академик Ш. Дюфе открыл существование двух типов за-
рядов (позже Б. Франклин ввел термины «положительный
заряд» и «отрицательный заряд»).
В 1745—1746 гг. почти одновременно в двух местах
был изобретен первый конденсатор2 так называемая лей-
8
денская банка. Обычно это открытие описывают так:
«В городе Лейдене два физика пытались наэлектризовать
воду в стеклянном сосуде, который один из них держал
в руках. Когда он коснулся проводника, опущенного в во-
ду, он испытал сильный удар от электрического разряда.
Другой физик поставил аналогичный опыт в Померании».
Однако употребление слова «физик» в этом рассказе —
пример явной модернизации. Один из изобретателей лей-
денской банки Мушенброк действительно был ученым,
но не физиком, а философом и математиком. Вторым был
«...некто Кунеус, богатый гражданин города Лейдена».
Опыт в Померании ставил соборный декан» *).
Дальше мы неоднократно увидим, как одни и те же
открытия почти одновременно делались разными людьми
в разных местах. И это вовсе не случайно. Накопленные
наукой знания при их обдумывании приводят разных лю-
дей к выдвижению сходных гипотез, постановке сходных
опытов или доказательству сходных теорем.
Лейденская банка, которую стали изнутри и снару-
жи оклеивать станиолем, позволяла накапливать большой
заряд* Искру от батареи лейденских банок можно было
видеть на расстоянии в 200 шагов. Разряд лейденской бан-
ки был вполне чувствителен для человека.
Все эти открытия на фоне общего интереса к научным
экспериментам не могли не обратить на себя внимание
не только в научных кругах. Появилась мода на занятия
электричеством среди различных слоев общества. Опыт
с лейденской банкой был, например, повторен в присут-
ствии французского короля в Версале аббатом Нолле **)-
180 гвардейцев образовали цепь, взявшись за руки, при-
чем первый держал в руке банку, а последний замыкал
цепь, извлекая искру. Удар чувствовался всеми в один
и тот же момент, «Было курьезно видеть разнообразие
жестов и слышать мгновенный вскрик, исторгаемый нео-
жиданностью у большей части получающих удар»,— пи-
шет очевидец.
Еще больше усилился интерес к электрическим явлени-
ям, когда Б. Франклин открыл атмосферное электричест-
во. До его опытов считали, что гром возникает оттого, что
верхняя часть облака ударяется о его нижнюю часть.,
В 1752 г. Франклин с сыном запустили воздушного змея
*) Розенбергер Ф. История физики. Пер. с нем./Под ред.
И. М. Сеченова.— М.; Л.: ОНТИ, 1934.
**) Он знаменит открытием осмоса..
9?
во время грозы и-, когда веревка намокла? извлекли из ее
нижнего конца искры? такие же? как из электрической
машины? и даже зарядили лейденскую банку. Опыты эти
были весьма небезопасны. Русский академик? друг Ломо-
носова? Г. В. Рихман при аналогичных опытах по изуче-
нию атмосферного электричества в 4753 г. был убит мол-
нией *)<
Первым практическим результатом исследований элект-
ричества было изобретение громоотвода (в 1753 г, тем же
Франклином)® Хотя громоотводы начали применяться,
большинство людей не понимало принципа их действия.
Например? во Франции кавалеры во время грозы выни-
мали шпаги из ножен и поднимали их вверх? считая? что
таким образом защищаются от молнии. В некоторых мес-
тах население возражало против установки громоотводов:
первый судебный процесс одного из домовладельцев, же-
лавшего установить на своем доме громоотвод? против
чего возражали соседи? был выигран Робеспьером в поль-
зу владельца®
Одновременно с исследованием электрических явлений
росли надежды на их практическое использование? иног-
да — особенно? естественно? вначале — самые фантасти-
ческие. Например? когда обнаружилось? что при разряде
лейденской банки через тело убитой лягушки мышцы пос-
ледней вздрагивали? стали говорить о том? что с помощью
электричества можно будет воскрешать мертвых. Как за
сто лет до того все явления природы пытались объяснить
воздушным давлением? так теперь электричеством: на-
пример? землетрясение объясняли электрическим разря-
дом внутри земли и т® д® С помощью электризации «ускоря-
ли» распускание цветов? прорастание семян; цыплята из
наэлектризованных яиц якобы выводились быстрее? чем
из обычных ♦*),
Врачи электризовали и лекарства, и больных и писа-
ли о положительных результатах® Есть свидетельства?
что воду в опытах? в результате которых открыли лейден-
скую банку? электризовали именно для того? чтобы прове-
рить ее лечебное действие® Заметим? что С® Грей еще за
♦) Обратите внимание на эти две даты: опыт Франклина, про-
веденный в Пенсильвании, был повторен в Петербурге всего через
год — и это тогда, когда не было ни радио, ни телевизоров, ни
авиапочты!
♦♦) Лондонское Королевское общество предприняло специаль-
ную критическую проверку данных о влиянии электризации на
разные объекты и не подтвердило их,
10
15 лет до того показал,; что заряд распределяется по по-
верхности тела, а не проникает внутрь его, так что сама
вода остается незаряженной. Тем не менее находилось
немало людей, которые утверждали, что наэлектризован-
ная вода хорошо лечит. Утверждалось, например^ что па-
рализованных больных надо для излечения заряжать по-
ложительно, а психически больных — отрицательно,
Появилось множество людей, которые утверждали, что
они обладают особенно сильным электрическим действием
и поэтому могут излечивать больных. Подвергать себя
электризации стало до того модным, чтр тот, кто не мог
проникнуть в лаборатории ученых, «электризовался»
у ярмарочных шарлатанов^
Таким образом,; то, что написано выше об интересе
к науке, не следует воспринимать как безоблачно радуж-
ную картину полного триумфа разума и просвещения..
Суеверия,; мистика — тени научного знания, к сожалению,;
часто сопровождающие научные открытия, И эти тени тем
гуще, чем ярче свет, т, е. чем необычнее,; новее явление.
Одним из показателей уровня культуры человека и обра-
зованности общества является умение отличать «свет от
тени».
Теперь мы можем попытаться объяснить, почему на
столе у Гальвани оказалась электрическая машина. В то
время это был распространенный прибор для различных
научных исследований, а иногда просто для развлечений.
Существовали специальные мастерские, где каждый мог
заказать себе такую машинуж и ее старался иметь любой
уважающий себя ученый. Кроме того, как мы уже гово-
рили,; электризацию связывали с лечебным воздействием,
и поэтому врач Гальвани мог использовать машину и для
медицинских опытов.
Однако каким бы правдоподобным ни казалось это
последнее предположение,; оно, вероятно,; неверно. Галь-
вани был серьезным ученым и едва ли держал у себя элек-
трическую машину только ради моды. Она стояла на лабо-
раторном столе, где ставились опыты с лягушками, и нет
никаких данных, что Гальвани занимался электризацией
людей. Он, как уже говорилось^ занимался физиологией
нервов и мышц. И чтобы правильно ответить на наш воп-
рос, нам придется продолжить анализ. Посмотрим теперь,;
в каком состоянии были физиологические знания во вре-
мена Гальвани^
11
Физиология в эпоху Гальвани
В этот период физический подход и физиче-
ские методы исследования уже показали свою объясни-
тельную силу в ряде областей биологии, связанных с бо-
лее развитыми разделами физики, и поэтому развитие нау-
ки об электричестве тоже способствовало появлению но-
вых надежд. Можно прямо проследить, как целый ряд
открытий (и заблуждений тоже) в области биологии был
прямо связан с развитием (или, напротив, с отставанием)
соответствующих разделов физики.
Так, У. Гарвей, создатель теории кровообращения
(1628 г.), смог понять роль сердца, так как насосы были
уже изобретены, но догадаться, что делают легкие, не
смог: ведь кислород еще не был известен. Поэтому Гарвей
продолжал, следуя Аристотелю,; считать, что в сердце
кровь нагревается, а в легких охлаждается.
Гипотеза Аристотеля о сердечном огне, просущество-
вавшая почти 20 веков, была опровергнута с помощью
физического эксперимента: в 1680 гм ученик Галилея
Дж. Борелли измерил температуру, введя термометр
в сердце животного; она оказалась примерно равной об-
щей температуре тела. Нам этот опыт кажется простым,
даже банальным. А ведь термометр появился всего лет за
двадцать до опыта Борелли, значит, был для него такой
же и даже большей новинкой^ чем сейчас персональный
компьютер. Вот и мы чуть было не написали, вслед за
многочисленными популярными рассказами, что Борелли
установил, будто бы температура в сердце оленя равна
40 °C, но вовремя сообразили, что никаких градусов Цель-
сия на термометре в то время не могло быть, потому что
А. Цельсий (и Реомюр тоже, а также Фаренгейт) еще не
родился.
По существу работы Боррелли были первым случаем
широкого применения достижений физики к изучению
живого*). Так в книге «О движении животных» (1680г.)
он рассматривает действие мышц на кости скелета с точки
зрения теории рычага, правильно объясняет движение
ног и корпуса человека при вставании из положения сидя
или лежа необходимостью такого перенесения центра масс,;
при котором он оказался бы под площадью опоры; верно
вычисляет силы, развиваемые мышцами рук и ног, и т. д.
*) Позднее И. М. Сеченов скажет, что «физиолог — это чело-
век, который физическими и химическими методами исследует
живой организм».
12
Открытие атмосферного давления дало возможность
Борелли верно объяснить механику дыхательного акта:
при увеличении объема грудной клетки воздух входит
в легкие за счет атмосферного давления. Однако смысл
процесса дыхания остается для Борелли столь же неяс-
ным, как и для Гарвея, и это неудивительно: только через
сто лет после выхода книги Борелли Лавуазье выяснит
роль кислорода для дыхания.
Это еще раз подтверждает, что в тех вопросах физиоло-
гии, где почва еще не была подготовлена успехами физики
и химии, продолжали господствовать взгляды древних
авторов и порождаемые ими разнообразные малообосно-
ванные предположения.
Все сказанное полностью относится и к физиологии
мышц и нервов — области, которую изучал Гальвани.
Роль мышц в движении была известна? но что касается
причин их сокращения (в частности, роли нервов в этом
процессе), то тут было еще очень мало фактов и очень
много довольно фантастических представлений*
Почти до середины XVIII века большинство ученых
считало, что причиной сокращения мышц и вообще всех
движений является душа. Считалось, что сама по себе
никакая мышца не обладает способностью сокращаться.
Эта способность возникает только в тот момент, когда в нее
втекает «животный дух».
С другой стороныА существовали механистические объ-
яснения сокращения мышц. Например, Pf Декарт считал,,
что по нерву в мышцу поступает нечто вроде легкого газа,,
который раздувает мышцу, и она сокращается *). Борел-
ли думал, что сокращение мышцы похоже на сокращение
мокрой веревки; по его мнению, из нерва в мышцу попада-
ет «нервный сок», и она «намокает». Однако все эти теории
были сходны в одном: сама мышца пассивна, в нее должно
войти из нерва нечто (газ или «животный дух»), что и вы-
зовет сокращение.
В середине XVIII века мышечное сокращение стало
предметом экспериментального изучения. Швейцарский
ученый А. Галлер в ряде опытов показал, что скелетные
мышцы, мышцы желудка, сердечная мышца отвечают на
прямое механическое, химическое или электрическое раз-
*) Это представление было опровергнуто тоже эксперименталь-
но. Английский ученый Ф. Глиссон (1597—1677 гг.) придумал
специальный прибор для определения объема руки человека и дока-
зал, что объем мышцы при сокращении не увеличивается, а даже
слегка уменьшается.
13
дражение, когда соответствующая мышца находится вне
организма и отделена от нервов. Наблюдая за развитием
эмбрионов, Галлер показал, что сердце начинает биться
в тот период, когда в него еще не вросли никакие нервы..
В 1763 г. один из последователей Галлера Ф. Фонта-
на *) сделал важное открытие. Он показал, что сердце
может либо ответить, либо не ответить на одно и то же
раздражение в зависимости от того, через какой промежу-
ток времени после предыдущего сокращения наносится
раздражение. Оказывается, после предыдущего сокраще-
ния сердечная мышца должна какое-то время отдох-
нуть, чтобы стать способной к ответу на новое раздраже-
ние.
Таким образом, в середине XVIII века складывается
представление о возбудимости разных мышц, как о при-
сущем им свойстве отвечать сокращением на непосредст-
венное раздражение. Работы Фонтана показали, что воз-
будимость мышцы — некоторая переменная величина,
которая может меняться во времени и которую хорошо
было бы научиться как-то измерять.
Что касается нервных волокон, то их роль в принципе
была правильно определена еще античными учеными,
а именно был сделан вывод о том, что через нервы переда-
ются какие-то влияния — от мозга к мышцам и от орга-
нов чувств к мозгу. Однако в XVIII веке этого было уже
недостаточно. Хотелось понять, какова же природа сиг-
налов, передающихся по нервам. Сторонники учения о
«жизненной силе», естественно, считали, что по нервам
передается «животный дух», который и вызывает сокра-
щение мышц. И опять-таки, естественно, в середине
XVIII века, в период увлечения электричеством самые
разные ученые все чаще предполагали, что по нерву рас-
пространяется «электрический флюид».
Тут нам придется на минутку вернуться к истории фи-
зики. Выше мы говорили об экспериментальных открыти-
ях века: лейденской банке, природе молнии и т. д.; те-
перь скажем несколько слов о теоретических представле-
ниях.
Электричество в это время рассматривали как «электри-
ческий флюид», как особую электрическую жидкость. Эта
гипотеза возникла после того, как Грей открыл, что элект-
*) Ф. Фонтана, кроме того, открыл и впервые описал, изучая
эпителий кожи угря, клеточное ядро и даже ядрышко, приведя их
четкие рисунки (1781 r.)t
14
ричество может «перетекать» от одного тела к другому,,
если их соединить металлической проволокой или други-
ми проводниками. Эта гипотеза, конечно, была навеяна
представлениями, господствовавшими тогда в других раз-
делах физики. Свойствами невесомой жидкости — эфи-
ра — объясняли волновое распространение света; теп-
лоту тоже считали’невесомой жидкостью s Гипотеза о сущ-
ности электричества была подвергнута эксперименталь-
ной проверке. Наэлектризованные тела тщательно взве-
шивали и не могли обнаружить прибавки в весе. Таким
образом, представления о невесомости электрического за-
ряда было результатом не только умозрительных рассуж-
дений, но и следствием недостаточной точности измере-
ний.
Когда выяснилось, что электрический заряд нельзя
измерять взвешиванием, физики начали изобретать прин-
ципиально новые приборы. Эти приборы — разного рода
электроскопы и электрометры — появляются в середине
XVIII века. В 1746 г. появляется электрометр Элликота,}
в 1747 г.— электроскоп Нолле, того самого аббата, ко-
торый демонстрировал королю в Версале разряд лейден-
ской банки. Один из первых электрометров был сконструи-
рован Рихманом.
Сначала считали, что электрическая жидкость — один
из сортов «теплорода». Это обстоятельство обосновывали
тем, что при трении тела и нагреваются,; и электризуются,;
а также тем, что электрическая искра может зажигать
разные предметы. Наконец,; было показано, что проводни-
ки электричества хорошо проводят тепло, а изоляторы —
плохо. Однако в конце коццов установилось представле-
ние,; что электрическая невесомая жидкость отличается
от теплорода. Во-первыхf было показано, что тела, на-
электризованные прикосновением, не нагреваются. Во-
вторых^ Грей показал, что сплошные и полые тела электри-
зуются совершенно одинаково^ а нагреваются по-разно-
му, и сделал вывод,; что «теплород» распространяется по
всему объему тела,; а электрическая жидкость распрост-
раняется по поверхности.
Таким образом$ представление об электричестве как
о невесомой жидкости было экспериментально хорошо
обосновано на уровне возможностей физики XVIII века
и хорошо вписывалось в общую идеологию физики того
времени.
Мы уже говорили, что в это время самые разные явле-
ния — даже землетрясения — пытались объяснить элект-
15
ричеством, не был исключением и «нервный механизм».
В 1743 г. немецкий ученый Ганзен выдвинул гипотезу
о том, что сигнал в нервах имеет электрическую природу.
В 1749 г. французский врач Дюфей защитил диссертацию
на тему «Не является ли нервная жидкость электричест-
вом?». Эту же идею поддержал в 1774 г. английский уче-
ный Пристли, прославившийся открытием кислорода.
Идея явно носилась в воздухе.
В связи с этими идеями два направления эксперимен-
тальных исследований — изучение электричества и изу-
чение процессов в нервах и мышцах — соприкоснулись
между собой. Появилась надежда установить, что процес-
сы в нервах — процессы электрической природы. Кроме
того, электрические разряды широко использовались
в это время для раздражения нервов, скелетных мышц
или сердца (лейденскую банку в этих целях использова-
ли, например, Д. Бернулли и тот же Ф. Фонтана, о кото-
ром мы уже говорили). Теперь нам не должно казаться
странным и случайным, что на столе у врача Гальвани,;
который был учеником Фонтана и занимался эксперимен-
тальным изучением работы мышц и нервов, оказалась
электрическая машина. Дело не в том, что он отдавал дань
моде. Машина была нужна потомуу что он, как теперь бы
сказали, работал не просто на переднем крае науки, а на
стыке двух наук: физиологии и науки об электричестве.
26 сентября 1786 г.
После всего сказанного становится непонят-
ным другое: что привлекло внимание помощника Гальва-
ни, почему сокращение мышцы при электрическом разря-
де показалось Гальвани столь замечательным. Ведь то,
что электричество действует как раздражитель на нервы
и мышцы, было широко известным фактом.
Дело в том, что до наблюдений Гальвани это раздра-
жающее действие наблюдали только при непосредствен-
ном контакте заряженного тела с мышцей или нервом.
Здесь же такой контакт отсутствовал.
Столкнувшись с новым незнакомым явлением, Гальва-
ни как истинный сын своего века начинает тщательно
и всесторонне исследовать это явление. Он ставит самые
разнообразные опыты. Например, показывает, что эффект
наблюдается и тогда, когда лапка лягушки помещена под
колокол насоса в безвоздушное пространство, когда вмес-
то электрической машины разряжается лейденская банка.
16 ’
И даже тогда, когда лягушачья лапка включается в цепь
между громоотводом и землей, она сокращается в тот мо-
мент, когда проскакивает молнияе
Но как ни были интересны эти опыты? никаких прин-
ципиально новых сведений об электрических явлениях
в живых организмах они не давали: была обнаружена еще
Рис. 1. Опыт Гальвани.
Препарат лежит на стек-
лянной пластинке. Экс-
периментатор замыкает
цепь: мышца — железная
проволока (С) — медный
крючок (Л) — нерв. (Ри-
сунок из «Трактата...»
Гальвани)
одна форма раздражающего действия электричества. Но
ведь и физики знали, что тела можно электризовать без
прикосновения, на расстоянии*
В 1786 г. Гальвани начинает новую серию опытовf ре-
шив изучить действие на мышцы лягушки «спокойного»
атмосферного электричества. (К этому времени было по-
казано, что электричество есть в атмосфере и в отсутствие
грозы.) Поняв, что лапка лягушки является в некотором
смысле очень чувствительным электрометром, он решил
попробовать обнаружить с ее помощью это атмосферное
электричество. Повесив препарат на решетке своего бал-
кона, Гальвани долго ждал результатов, но лапка не со-
кращалась ни при какой погоде.
И вот 26 сентября 1786 г. лапка, наконец, сократилась.
Но это произошло не тогда, когда изменилась погода, а
при совершенно других обстоятельствах: лапка лягушки
была подвешена к железной решетке балкона при помощи
медного крючка и свисающим концом случайно коснулась
решетки.
Гальвани проверяет: оказывается всякий раз, как об-
разуется цепь «железо — медь лапка», тут же проис-
ходит сокращение мышц лапки независимо от погоды.
Гальвани переносит опыты в помещение, использует раз-
ные пары металлов и регулярно наблюдает сокращение
мышц лапки лягушки (рис. 1).
17
Это уже что-то соврешенно новое; никаких источников
электричества поблизости нет (нет ни машины, ни грозы),
а лапка лягушки сокращается.
Гальвани ставит красивый опыт в духе своего времени,,
когда эффектные публичные демонстрации были очень
популярны. Лапка подвешивается на медном крючке,,
соединенном с серебряной шкатулкой, стоящей так, что
нижняя часть лапки касается шкатулки. Лапка сокраща-
ется и отдергивается от шкатулки, от этого цепь размыка-
ется, тогда лапка вновь опускается, вновь касается шка-
тулки, вновь поднимается и т. д. Возникает, как говорит
Гальвани, нечто вроде электрического маятника. (На са-
мом деле эта система совершенно аналогична прерывате-
лю тока в электрическом звонке^ но ни тока, ни звонка
в то время еще не было.)
Как же объяснить эти наблюдения? Со времен Джиль-
берта (помните?) было известно, что металл нельзя на-
электризовать трением. Гальвани, как и другие ученые
его времени, считал,; что электричество не может возни-
кать в металлах, они могут играть только роль проводни-
ков. Отсюда Гальвани заключает, что источником электри-
чества в этих опытах являются сами ткани лягушки^
а металлы только замыкают цепь*
Но зачем в этой цепи нужны два разных металла?
Гальвани исследует этот вопрос и обнаруживает, что
можно обойтись и просто кусочком медной проволоки*
При использовании одного металла сокращение возни-
кает не всегда, оно бывает слабее, но это уже мелкая де-
таль. Сокращение мышц наблюдается визуально, сила
сокращения не измеряется. Важно, что два металла не
обязательны, а значит и несущественны,— рассуждает
Гальвани.
Гальвани работал с нервно-мышечным препаратом:
задней лапкой лягушки с отпрепарованным нервом и со-
храненным кусочком спинного мозга. В первом же удач-
ном опыте, когда лапка висела на балконе, медный крю-
чок был пропущен через кусочек позвоночника, а кончик
лапки коснулся железной решетки, Гальвани решает, что
это и есть самые лучшие условия, и не пробует другие*
Во всех его опытах один конец металлической дуги каса-
ется спинного мозга или нерва, а второй — поверхности
лапки. Гальвани развивает такую схему: мышца лапки —
заряженная лейденская банка; нерв — провод, соеди-
ненный с внутренней обкладкой банки; когда металличе-
ский проводник касается мышцы (наружной обкладки)
18
и нерва (внутренней), мышца разряжается через нерв и
это вызывает сокращение.
Еще четыре года уходят у Гальвани на всестороннее
исследование открытого явления и, наконец, в 1791 г®
появляется работа, подводящая итог десятилетнего тру-
да,— упомянутый «Трактат о силах электричества при мы-
шечном движении»»
Гальвани считает свое открытие очень важным для
человечества. Дело в том, что, как мы уже говорили, в это
время возникали самые разнообразные эмпирические по-
пытки использовать электричество для лечения болезней,;
причем эти попытки не имели никакой теоретической
базы. Гальвани был прежде всего врач и хотел лечить лю-
дей. Он сам пишет в конце своего трактата, что в дальней-
шем все свои усилия направит на разработку нового на-
правления в медицине — электромедицину.
Но он был не только врач, но и ученый. Он понимал,
что для разработки такого направления очень важно было
показать, что электрические явления не есть что-то чуж-
дое живым организмам, что электричество тесно связано
с жизнедеятельностью, что «животное электричество»
по своей природе ничем не отличается от электричества,
вырабатываемого электрической машиной. Не случайно
Гальвани после опытов на лягушках ставит опыты на теп-
локровных, показывая, что те же явления можно получить
и на нервно-мышечных препаратах птиц и млекопитаю-
щих. Следовательно, электрические явления присущи
всем животным, а значит и человеку! Гальвани даже поз-
воляет себе высказать соображение о причине некоторых
болезней (например, он высказывает гипотезу, что паралич
может быть связан с нарушением изоляции нервов,
и действительно, сейчас известны болезни, вызванные этой
причиной; или что эпилепсия может быть связана с силь-
ным электрическим разрядом в мозгу, что тоже оказалось
в принципе верным) и о возможном лечебном применении
электричества.
Выдвигая свое утверждение о существовании «живот-
ного электричества», Гальвани опирался также на изуче-
ние электрических рыб: в этом случае их способность
вырабатывать электричество была доказана. Электриче-
ский скат был известен с далекой древности, а электри-
ческий угорь был описан в XVII веке после открытия
Америки. Но этих рыб тогда, естественно, не называли
электрическими, так как не знали, что их действие на
человека и животных как-то связано с электричеством.
19
Однако после открытия лейденской банки, разряд которой
вызывал тот же эффект, что и прикосновение к электриче-
скому скату, французский ботаник М. Адансон выдвинул
предположение, что разряд электрических рыб и разряд
лейденской банки имеют одну и ту же природу. Прове-
ряя эту гипотезу, английский ученый Дж. Уолш показал,
что разряд электрического ската передается через провод-
ники, но не передается через изоляторы и осуществляет
разряд рыбы через цепь из нескольких лиц (вспомните
опыт аббата Нолле!), т. е. получил доводы в пользу элек-
трической природы этого разряда. Наконец, Уолш на-
блюдал разряд ската через наклеенную на стекло полоску
фольги с тонким разрезом; при каждом разряде в месте
разреза проскакивала искра. В 1776 г. Г. Кавендиш, при-
крепив проводники к спине и брюху ската, с помощью
бузинного электроскопа измерил создаваемый им заряд.
С электрическими скатами работал и Гальвани, один
из видов этих рыб даже носит его имя! Торпедо Гальвани.
Если скаты могут вырабатывать электричество, то по-
чему же его не могут вырабатывать любые мышцы?
И Гальвани подчеркивает в своем «Трактате...» сходство
электричества, возникающего при трении, атмосферного
электричества, электричества скатов и открытого им «жи-
вотного электричества» *).
Вольта проверяет открытие Гальвани
и «закрывает» его
Появление «Трактата...» вызвало огромный
интерес в самых разных странах. Уже в следующем году
выходит его второе издание. Гальвани на короткое время
становится знаменит. Многие крупные ученые занялись
повторением его опытов и проверкой результатов. Сре-
*) Очень интересно, что, несмотря на достаточно убедительные
данные о том, что действие ската связано с электрическим разрядом,
находилось много людей, которые считали, что «животное электри-
чество» должно отличаться от обычного электричества, должно
иметь какие-то признаки своего особого происхождения. На такой
точке зрения стоял, в частности, Дж. Пристли, а более чем полвека
спустя — Г» Деви. Это обстоятельство побудило М. Фарадея
предпринять в 1837—1839 гг. серию специальных работ, в которых
он показал, что электричество от трения, электричество от галь-
ванических элементов, в это время уже известных, и электричество
рыб ничем не отличаются друг от друга. Огромный авторитет
Фарадея способствовал общему признанию тождества «животного»
и обычного электричества.
20
ди них был и итальянский физик Алессандро Вольта,
в юности заочный ученик аббата Нолле.
В это время (1792 г.) Вольта был уже известным фи-
зиком, профессором университета в Павии, членом Лон-
донского Королевского общества. К этому времени он
изобрел новый чувствительный электроскоп, электриче-
ский конденсатор и ряд других приборов. Его научные
интересы всю жизнь были в основном связаны с электри-
чеством, и работа Гальвани произвела на него огромное
впечатление. В первые же 10 дней после получения «Трак-
тата...» он ставит массу новых опытов, полностью под-
тверждает результаты Гальвани и задается целью внести
меру в эту новую область науки, т. е. провести количест-
венное изучение «животного электричества», измерить
электрометрами его величину и величину заряда, необ-
ходимого для вызова сокращения мышцы, («Ведь никогда
нельзя сделать ничего ценного, если не сводить явлений
к градусам и измерениям, особенно в физике»,— писал
Вольта.) В первых же опытах он обнаруживает, что пре-
парат лягушки крайне чувствителен к электрическому
разряду и сокращение возникает при столь слабых заря-
дах лейденской банки, которые не обнаруживаются са-
мыми лучшими электрометрами.
Гальвани во всех своих опытах прикладывал один
конец металлического проводника к нерву, а другой —
к мышце. Это было связано с его идеей о том, что мыш-
ца — лейденская банка, которая разряжается через нерв.
Вольта разнообразит условия опытов, делает разные
препараты, прикладывает проводник различными спосо-
бами. Его интересует количественная сторона дела, по-
этому он ищет такие условия, при которых минимальный
заряд вызывает сокращение мышц. При этом он выясня-
ет, что лучше всего сокращение возникает тогда, когда
внешним проводником замыкаются два разных участка
хорошо отпрепарованного нерва. Отсюда он делает
вывод, что вовсе не мышца разряжается через провод и
нерв, а, напротив, нерв, который более чувствителен к раз-
дражению, возбуждается и что-то передает в мышцу.
Итак, вера Вольта в теоретические взгляды Гальвани
уже сильно поколеблена. Если Гальвани мог ошибиться,
считая именно мышцу источником «животного электри-
чества», то он мог сделать и другие ошибки. И вот у Воль-
та возникает сомнение в самой основе работы Гальвани —
в существовании «животного электричества». Он ставит
вопрос, почему между двумя близкими точками одного
21
и того же нерва,: которые во всем похожи, происходит
разряд,; когда их замыкают проводником? Это противоре-
чит принципу причинности. А почему замыкающий про-
водник для успеха опыта должен состоять из двух раз-
ных металлов? Ведь роль этого проводника, согласно
взглядам Гальваниf лишь в том, чтобы замкнуть цепьс
Но для замыкания цепи достаточно одного вида металла.
Вольта начинает детально изучать этот вопрос. Он
пробует сочетания разных пар металлов. Если эти метал-
лы играют роль простого проводника, то их природа не
должна иметь значения. Но если эти металлы почему-то
сами являются источником электричества (вот новая ре-
волюционная идея Вольта, которому удалось преодолеть
авторитет Джильберта!), то сила источника может зави-
сеть от сочетания металлов. И Вольта находит такую
зависимость. Действие двух различных веществ на препа-
рат лягушки тем сильнее,; чем дальше отстоят они друг
от друга в следующем ряду: цинк? оловоу свинец, железо,;
латунь, бронза, медь,; платина^ золото, серебро, ртуть,;
графит, уголь. Из этого перечисления, приведенного в ра-
боте 1794 г.у видно, как активно экспериментирует Воль-
та , У него все более крепнет уверенность, что источни-
ком электричества в опытах Гальвани была не мышца
лягушки, а те два металла, которыми Гальвани к ней при-
касался.
Но ведь Гальвани наблюдал сокращения мышц и при
использовании всего одного металла! Вольта подробно
изучает и этот случай и показывает,; что два куска меди
могут содержать разные примеси, что достаточно загряз-
нить один конец проволоки,; чтобы она действовала как
два разных металла, достаточно небольшой разницы тем-
ператур на противоположных краях одного и того же кус-
ка металла,; чтобы он играл роль раздражителя и т« д.
Наконец, Вольта делает окончательный вывод: кон-
такт двух разных металлов является новым источником
электричества,; на которое реагирует «живой» электро-
скоп. Именно этим объясняются опыты Гальвани!
Этот вывод Вольта подкрепляет еще целым рядом раз-
нообразных экспериментов. Например, Вольта берет
проволочки из серебра и олова, одни концы этих прово-
лочек соединяет между собой,; а другими концами каса-
ется языка: одним металлом самого кончика, а другим
чуть дальше. Он обнаруживает, что если к кончику язы-
ка приложено серебро, то чувствуется щелочной вкус,;
а если олово — то кислый. Если бы источником электрк-
22
чества была сама мышца языка, то вкус не должен был
бы меняться от изменения замыкающего металла,— рас-
суждает Вольта. Но если роль источника электричества
играют два разнородных металла, тогда ясно, что, меняя
их местами, мы меняем положение «плюса» и «минуса».
В одних случаях электрический флюид входит в нервы
кончика языка,: а в другом — выходит из них. Это и вы-
зывает разный вкус. Может бытьх работа всех органов
чувств связана с электричеством? — спрашивает Вольта
(и, как мы теперь знаем,; это именно так),
Вы помните, что в описываемую нами эпоху было мод-
но ставить эффектные опыты. Такой опыт придумал Галь-
вани — «электрический нервный маятник»,— когда лап-
ка лягушки, подвешенная на медном крючке, касалась
серебряной шкатулки. (Все дело тут в меди и серебре! —
сказал бы Вольта.) И Вольта тоже придумал эффектный
опыт.
Четыре человека «...образуют друг с другом цепь,
причем один прикасается пальцем к кончику языка со-
седа, другой таким же образом к поверхности глазного
яблока своего другого соседа, а двое остальных держат
мокрыми пальцами один за лапку, а другой за спину
свежепрепарованную... лягушку, Наконец,; первый в ря-
ду держит также в мокрой руке цинковую пластинку,
а последний держит серебряную пластинку,, и затем они
приводят эти пластинки во взаимное соприкосновение.
В тот же момент на верхушке языка, к которой прикаса-
ется человек, держащий в руке цинк, появится ощущение
кислого вкуса; в глазу,, к которому прикасается палец
соседа, появится ощущение вспышки света; и в то же вре-
мя лапки лягушки, находящиеся в двух руках, начнут
сильно сокращаться». Все нервы, оказавшиеся на пути
электрического флюида — нервы языка, нервы глаза,,
нервы лягушки,— являются просто очень чувствительны-
ми электрометрами, а металлы, от соприкосновения ко-
торых и возникает эффект, не простые проводники, а «дви-
гатели» электричества. «Таким образом, вместо того, что-
бы говорить о животном электричестве, можно было бы
с большим правом говорить о металлическом электриче-
стве» (Вольта, 1794 г.). Ведь если люди в той цепи из че-
тырех человек не будут держать серебро и цинк, а просто
коснутся руками друг друга, то ничего не произойдет.
По Гальвани, разряд «живой лейденской банки»,; которая
находится в лягушке, должен произойти еще успешнее,
ведь замыкающая цепь стала короче^ из нее убрали уча-
23
сток, ничего не прибавив; но эффекта нет. Значит, причи-
на не в лягушке, а в металлах — в контакте серебра
и цинка.
Уже из приведенных примеров ясно, что Вольта был
прав. В знаменитом трактате Гальвани нет никаких дока-
зательств существования «животного электричества».
Наблюдение, сделанное Гальвани 26 сентября 1786 г.,;
в день рождения электробиологии, имело причиной чисто
физическое явление, на основе которого Вольта изобрел
источник постоянного тока: гальванический элемент,;
или вольтов столб. Это изобретение приведет к интенсив-
ному развитию учения об электричестве и электротехнике
и сделает XIX век веком не только пара, но и электриче-
ства.
Но причем же тут электробиология?
Лирическое] отступление о путях науки. Давайте теперь на
минуту остановимся и задумаемся о том, что же мы узнали не толь-
ко об истории открытия «животного электричества», но и о науке
вообще. Одна из главных целей, поставленных на прочитанных
вами страницах,— показать достаточно типичную картину разви-
тия науки.
Первый урок, который можно извлечь из рассказанного, сос-
тоит в том, что наука — это некоторая единая система взаимодей-
ствующих областей, что учение о теплоте влияет на учение об
электричестве, что открытия в области физики влияют на развитие
биологии, а решение биологической проблемы (есть ли электричест-
во, вырабатываемое животными) приводит Вольта к чисто физи-
ческому открытию. В школе можно раздельно преподавать] разные
предметы, да иначе, по-видимому, и нельзя, в университетах соз-
дают разные факультеты, научно-исследовательские институты
тоже заняты каждый своей более или менее узкой проблемой.
Но в природе явления тесно связаны, переплетены и часто совер-
шенно не согласны лечь на полочку того или иного научного ве-
домства.
Во-вторых, всякое новое открытие, новая теория, новые экспе-
рименты являются следствием предыдущих экспериментов и тео-
рий — в этом одно из проявлений непрерывности развития куль-
туры. Ньютон говорил: «Если я видел больше других, то это только
потому, что я стоял на плечах гигантов».
Бросается в глаза также международный характер науки:
проводники открывают в Англии, лейденскую банку — в Германии;
Франклин работает в Америке, Рихман — в России, Гальвани и
Вольта — в Италии.
Мы видели, что и в XVIII веке новые открытия очень быстро
пытаются использовать для практики (например, Вольта изобрета-
ет свой столб в 1799 г., а книга В. В. Петрова о применении электри-
ческой дуги выходит уже в 1803 г.); мнение, нередко высказывае-
мое в литературе, что в старину от открытия до его применения
проходили многие десятилетия, скорее легенда, чем факт. Открыти т
применяли настолько быстро, что к этому процесс/ зачастую при-
мазывались шарлатаны.
24
Особенно мы хотели бы остановиться на роли эксперимента в
науке и роли личности ученого в открытии. Наивные описания:
«Для решения проблемы ученый поставил опыт и выяснил...» очень
редко соответствуют действительности. Один и тот же эксперимент
может истолковываться совершенно по-разному разными людьми.
Гальвани поставил опыт с замыканием цепи двумя разными ме-
таллами, но он не сконцентрировал свое внимание на этой детали,
считая ее несущественной. В этом отразилась направленность его
личных интересов: он был врач и хотел использовать электричество
для лечения, поэтому ему было важно установить, что электри-
чество не чуждо живому, а, наоборот, внутренне присуще и мышцам,
и нервам. В работе сказалось также его знакомство с электриче-
скими скатами, которые^точно могли вырабатывать электричество;
Гальвани искал совершенно определенное явление и считал, что
нашел его. Мы видим, что важен предыдущий опыт ученого, его
эмоциональный настрой, цели, которые он перед собой ставит.
Вольта дал другое истолкование тому же опыту: дело не в
«животном»^ а в металлическом электричестве. Но чтобы доказать
это истолкование, Вольта должен был не просто повторить опыт
Гальвани, а придумать десятки новых, некоторые из которых мы
описали.
Придумать опыт и поставить его — это только часть дела.
Как правило, опыт допускает много разных истолкований (или, как
говорят, интерпретаций), для выбора правильного истолкования
обычно необходимы новые опыты. Кроме того, на интерпретацию
эксперимента существенно влияет уровень знаний данной эпохи.
Вспомните, как подвела Гальвани вера в теоретический вывод
Джильберта.
Бывает, что существует несколько альтернативных возмож-
ностей в интерпретации опыта и удается придумать новый опыт,
который позволяет сделать выбор из этих альтернатив. Такой опыт
называют критическим. Однако нередко потом выясняется, что
какая-то из возможных интерпретаций была упущена при поста-
новке такого опыта.
Опыт — это шаг на пути науки, шаг, который, как правило,
ведет к развилке новых дорог. Наука —* непрерывный процесс
работы мысли и перед опытом (иначе его не придумать), и во время
него, и особенно после него.
Спор сторонников Гальвани
и сторонников Вольта
Вернемся теперь к Гальвани. Как же он
отреагировал на критику Вольта? Ведь доводы Вольта
разрушали его надежды на создание нового направления
в медицине. И Гальвани направляет все усилия на то, что-
бы доказать свою правоту. С 1794 по 1797 гг. он пред-
принимает попытки отстоять свое открытие. Он ставит
новые опыты, в которых вообще не используются никакие
металлы (даже препарирование лягушки производится
стеклянными инструментами), Расскажем о трех таких
опытах.
25
Опыт 1. Бралась мышца с отходящим от нее нервом
(рис. 2, а). Отдаленный конец нерва перерезался и приво-
дился в соприкосновение с мышцей при помощи стеклян-
ной палочки. В момент прикосновения нерва мышца со-
кращалась. Для удачного воспроизведения опыта нужен
был свежеперерезанный нерв. Гальвани отмечает, что
место перерезки^ по-видимому г играет какую-то важную
Рис, 2. Новые опыты Гальвани: М — мышцы, Н — нервы, П —
места перерезки нервов, Р — место раздражения
роль. Здесь он опять проявляет замечательную наблю-
дательность, как и в случае с двумя разными металлами.,
Опыт 2. В этом опыте использовались две мышцы
с отходящими от них нервами (рис. 2, б), Один нерв ук-
ладывался в виде дуги, а второй располагался так, чтобы
одна его точка лежала на неповрежденном участке перво-
го нерва, а вторая — возможно ближе к месту его перерез-
ки; мышца,, связанная со вторым нервом, сокращалась.
(Заметьте,; что здесь тоже фигурирует свежеперерезанный
нерв!) Этот опыт показывает,; что между нормальным и
поврежденным участками нерва течет электрический флю-
ид (в это время Вольта уже начинает использовать тер-
мин «ток»).
Опыт 3. Вновь брались две мышцы с отходящими
от них нервами (рис. 2, в). Нерв второй мышцы помещал-
ся на первую мышцу, Раздражался первый нерв, отчего
сокращалась первая мышца. Неизменно вслед за этим
возникало сокращение и второй мышцы. В этом опыте
разрез нерва не играл никакой роли. Сокращающаяся
мышца как-то действовала на лежащий на ней нерв.
К сожалению, эти свои опыты Гальвани не смог опуб-
ликовать — они были описаны только в его частных пись-
мах. Но у него был ряд сторонников и последователей,
которые опубликовали описания многих новых опытов^
подтверждающих взгляды Гальвани,
26
Вольта и его сторонники приводили против таких опы-
тов три основных возражения,
Во-первых ,; Вольта высказал предположение,; что «дви-
гателем» электрического флюида может быть не только
контакт металлов,; но и контакт разных жидкостей (и
это в принципе оказалось верным,; как мы увидим даль-
ше). Но во всех опытах Гальвани обязательно были раз-
ные жидкости: нельзя высушить препарат лягушки, то-
гда он погибнет. Значит,; в принципе нельзя показать, что
электричество создается живым организмом, а не сопри-
косновением разных растворов,; а нервы с мышцей играют
роль только «живого электроскопа».
Во-вторых,; во всех опытах Гальвани присутствует
механическое движение — либо двигают нерв, либо со-
кращается мышца. Может быть,; причиной сокращения
мышцы в этих опытах является механическое раздраже-
ние,— предполагал Вольта.
Наконец,; пусть даже сокращающаяся мышца (опыт 3)
может возбудить нерв. Но откуда следует, что она это
делает с помощью электричества? Известно, что нерв мож-
но возбудить давлением,; нагреванием,; химическими воз-
действиями и т. д. Где доказательства,; что в опытах Галь-
вани раздражителем является именно электрический
ток?
Несмотря на помощь друзей и последователей, поддер-
жку таких крупных естествоиспытателей, как А. Гум-
больдт, Гальвани проиграл спор с Вольта. Аргументы
Вольта казались вполне убедительными. В 1797 г< насту-
пает окончательный крах: по политическим мотивам Галь-
вани выгнали из университета. Он лишился возможности
работать и через год умер.
Однако на этот раз Вольта ошибся* Во всех трех опи-
санных выше опытах Гальвани действительно имел дело
с «животным электричеством», которое ему наконец-то
удалось открыть.
После изобретения источника постоянного тока Воль-
та становится знаменит и всеми признан* В 1801 г* Напо-
леон приглашает его в Париж,; где в Академии наук он
демонстрирует свой знаменитый вольтов столб, Умер
Вольта в 1827 г. в возрасте 82 лет? овеянный славой.
Личные судьбы Гальвани и Вольта сложились очень
по-разному. Но если отвлечься от человеческих судеб
и посмотреть на судьбу основных научных открытий^
сделанных Гальвани и Вольта^ то мы увидим удивитель-
ную аналогию,
27
Из истории «металлического» электричества,
открытого Вольта
Когда Вольта изобрел гальванический эле-
мент, перед ним встал вопрос: в чем причина возникнове-
ния электрического тока — в соприкосновении двух ме-
таллов или же в соприкосновении металлов с жидкостя-
ми? Вольта попробовал вообще убрать жидкости и поста-
вил такой опыт. На чувствительный электроскоп помещал-
Рисе 3. Опыт Вольта с двумя метал-
лическими дисками
ся медный диск, покры-
тый сверху тонким сло-
ем изолятора. На него
клали такой же цинко-
вый диск с изолирую-
щей ручкой и эти два
диска на мгновение сое-
диняли медной проволо-
кой (рис. 3, а). Затем
проволоку убирали и
снимали верхний диск.
Электроскоп показывал
наличие заряда (рис.
3, б). Вольта объяснял
этот опыт так. Когда два
разнородных металла
привели в соприкосно-
вение, они получили разноименныезаряды(см. рис. 3, а). Но
эти заряды, притягивая друг друга, оставались по разные
стороны изолятора. Когда верхний заряженный диск
убрали, заряды с нижнего диска попали на лепестки
электроскопа. И никакой жидкости при этом не было.
Следовательно, все дело просто в соприкосновении двух
металлов! Но с самими металлами при этом совершенно
ничего не происходило, кроме возникновения заряда.
Значит, как утверждал Вольта, ему удалось открыть
источник электрического тока, который может работать
только от соприкосновения металлов, не меняя и не рас-
ходуя их.
Была только одна «маленькая деталь»: к сожалению,
цинковый электрод в гальванических элементах поче-
му-то все время окислялся и окись цинка прерывала ток.
Электроды приходилось чистить. Вольта все время пы-
тался сделать гальванические элементы лучшей конструк-
ции, но никак не мог избавиться от появления окиси.
Тем не менее он был уверен^ что в принципе задача разре-
28
шима и он осуществил мечту — создал вечный двига-
тель!
После открытия закона сохранения энергии физики
и электрохимики подвергают взгляды Вольта резкой кри-
тике. Не может идти электрический ток и выделяться
тепло без всяких затрат энергии! Не могут возникать
электрические явления только от касания двух металлов;
в воздухе всегда есть парьт, которые оседают на металлы
и окисляют их. Вольта открыл вовсе не «металлическое»
электричество, а «химическое» электричество, так как
в его элементах химическая энергия переходит в электри-
ческую, потому-то и окисляется цинк!
Посмотрите, с какой замечательной точностью повто-
ряется вся история с Гальвани. Гальвани открыл на са-
мом деле «металлическое» электричество, а думал, что
открыл «животное электричество»,— говорил Вольта.
В основе ошибки Гальвани лежало то, что он не обратил
внимания на важнейший факт, который противоречил
его теории, — на необходимость наличия двух разных ме-
таллов (точнее,; внимание обратил, но не придал факту
должного значения). Вольта открыл «химическое» электри-
чество,; а думал, что открыл «металлическое» электриче-
ство,— пишет В. Оствальд в своей «Истории электро-
химии». Вольта не обратил внимание на важнейший факт,
который противоречил его теории вечного двигателя,—
окисление электродов, точнее, не придал ему должного
значения.
Но самое интересное состояло в том, что прав был и
Гальвани, и его критик Вольта, точно так же, как прав
был и Вольта, и его критик Оствальд. На самом деле
Гальвани открыл два разных явления — и «животное
электричество», и металлическое. Но сам он считал, что
открыл только первое из них, а Вольта считал,; что суще-
ствует только второе. Точно так же и Вольта открыл два
разных явления — контактную разность потенциалов,
возникающую при соприкосновении двух металлов, и
химические источники тока. Но сам Вольта считал, что
открыл только первое явление, в то время как его критик
Оствальд признавал только второе. (Трудность различить
несколько явлений, проявляющихся одновременно или
в сходных в чем-то опытах,— весьма типичная ситуация
в науке, и мы с этим еще не раз столкнемся.) Только даль-
нейший ход развития науки показал, в чем были правы
и в чем ошибались Гальвани^ Вольта и Оствальд.
29
Реабилитация Гальвани
Итак, Гальвани умер побежденным и не*
признанным, а сторонники Вольта торжествовали. Но
пути науки неисповедимы<
После того, как Вольта изобрел гальванический эле-
мент и физики получили источник постоянного тока, на-
чалось быстрое развитие электродинамики, стимулиру-
емое целым рядом практических применений электриче-
ского тока. Это в конце концов и позволило выяснить
правоту Гальвани.
Уже в 1800 г, было открыто тепловое действие тока*
В 1803 г. вышла книга Петрова о вольтовой дуге. В 1820 г.
Эрстед открыл действие электрического тока на магнит-
ную стрелку, связав разделы науки об электричестве и
магнетизмеf которые до этого развивались отдельно.
И в течение года (вот еще доказательство, что практиче-
ские использования не запаздывали!) следуют замеча-
тельные разработки этого открытия: Ампер выдвигает
идею электромагнитного телеграфа,; Барлоу и Фарадей
изготовляют первые примитивные модели электромоторов,
а Швейгер изобретает гальванометр — прибор для из-
мерения постоянного тока. Наконец-то появился объек-
тивный способ измерить малые токил которые до этого ре-
гистрировались только с помощью лягушачьей лапки.
Гальванометр Швейгера был основан на действии ка-
тушки с током на магнитную стрелку,; но он был чув-
ствителен и к магнитному полю Земли, что очень меша-
ло точным измерениям. В 1821 г, Ампер предложил ук-
реплять на одной оси две магнитные стрелки так, что их
противоположные полюса были расположены один над
другим; это позволило избавиться от влияния магнитного
поля Земли, Швейгер вначале изолировал провода вос-
ком или сургучом, но через несколько лет в связи с созда-
нием телеграфа появились провода с шелковой изоляци-
ей. В руках физиков оказался достаточно надежный и
чувствительный измерительный прибор.
В 1826—1827 гг. немецкий физик Г. Ом открыл за-
кон, который носит его имя. Для электробиологии особен-
но важно было то, что Ом ввел понятия «сила тока»,,
«сопротивление», которых так не хватало Гальвани и
Вольта.
В 1825 г. флорентийский физик Л. Нобили создал
высокочувствительный гальванометр, и в 1827 г. с помощью
этого прибора ему впервые удалось зарегистрировать раз-
30
ность потенциалов между разными точками тела лягушки.
Но, как мы уже говорили, просто поставить опыт еще не-
достаточно, надо еще его правильно понять. Нобили был
последователем Вольта, и поэтому объяснял возникнове-
ние зарегистрированных потенциалов тем, что одни уча-
стки тканей теплее, чем другие, так как скорость испаре-
ния жидкости с разных точек не может быть строго одина-
ковой. Так Нобили проходит мимо важного открытия.
Рис. 4. Опыты Маттеучи: а — регистрация потенциала поврежде-
ния; б — его снижение при возбуждении мышцы; в — регистрация
потенциала в неповрежденной возбужденной мышце. [М — мышца,
И — ее интактный (неповрежденный) участок, П — место повреж-
дения, Г — гальванометр, Р — место раздражения нерва]
Авторитет Вольта помешал ему не меньше, чем автори-
тет Джильберта помешал Гальвани.
Начиная с 1837 г. другой итальянский ученый, К. Мат-
теучи использует гальванометр для объективной проверки
опытов Гальвани и его последователей (рис. 4).
Прежде всего, Маттеучи обнаружил,; что между ин-
тактным (целым) и поврежденным участками мышцы есть
разность потенциалов; при этом разрез мышцы всегда
играет роль отрицательного полюса (рис. 4, а). Ток, теку-
щий к поврежденному месту, назвали током повреждения.
Этот результат Маттеучи давал объяснение двум первым
опытам Гальвани (см. рис. 2, а, б); ведь и Гальвани пред-
полагал, что между интактным и поврежденным участ-
ками мышцы течет электрический флюид. Правда, Мат-
теучи смог зарегистрировать только ток повреждения
мышцы, а не нерва (не хватало чувствительности прибора).
Но если считать аналогичной ситуацию и для поврежден-
ного нерва, то ясно, что место разреза нерва служило
источником тока, который в первом опыте возбуждал
мышцу лягушки, а во втором — ее нерв.
Маттеучи обнаружил, что во время возбуждения по-
врежденной мышцы ток повреждения почему-то убывал
(рис. 4, б). Это очень удивило экспериментатора. Каза-
31
лось бы, что при возбуждении все должно усиливаться,
а не убывать!
Наконец, Маттеучи сделал широко известным третий
опыт Гальвани. Маттеучи непосредственно показал, что
при возбуждении неповрежденной мышцы между ее час-
тями идет электрический ток, который может возбудить
лежащий на ней нерв (рис. 4, в).
Работы Маттеучи носили принципиальный характер:
до них, пока единственным измерительным прибором слу-
жила сама лапка лягушки, не было уверенности в том,
что процессы возбуждения связаны с электрическими яв-
лениями. После работ Маттеучи это можно было считать
доказанным.
Напомним, что все это происходило в 1837 г. Это был
год столетия со дня рождения Гальвани и год его посмерт-
ного торжества. Была доказана правильность объясне-
ния им своих последних опытов. Уже в 1841 г. появляет-
ся полное собрание сочинений Гальвани. Гальвани вновь
становится знаменит и теперь уже навсегда,
ГЛАВА 2
ПЕРВЫЕ ШАГИ ЭЛЕКТРОБИОЛОГИИ
Наука, вопреки мнению непосвященных, редко развивается
по прямому логическому пути. На самом деле каждый ее шаг
вперед (а иногда и назад) очень часто событие глубоко лич-
ное, в котором главную роль играют человеческие характеры
и национальные традиции.
Д. Уотсон «Двойная спираль»
Если в первой половине нашего рассказа
место и время действия можно было охарактеризовать
так: Италия, XVIII век, то теперь происходит «смена де-
кораций» — на сцене Германия, XIX век.
Но меняются не только время и место, меняется и сам
характер науки. В XVIII веке наукой занимались в основ-
ном одиночки и среди них — много любителей. В XIX
веке ученый — это профессия: их работа меньше зависит
от милости меценатов или личного состояния, работают
ученые в лабораториях или даже специальных научных
институтах. Это облегчает их личные контакты, способ-
ствует обмену мнениями, ускоряет распространение новых
идей. Приведем один важный для нас пример.
В 30-е годы XIX века в Берлинском университете
работали два молодых ученых — М. Шлейден и Т. Шванн.
Ботаник Шлейден при одной из встреч рассказал своему
приятелю зоологу Шванну, что, оказывается, во всех
клетках растений имеются ядра и они играют важную
роль в жизнедеятельности клеток. Тогда зоологу Шван-
ну пришло в голову, что «пузырьки», которые он видел
в тканях животных и которые клетками не считали, по-
тому что они не отделяются друг от друга хорошо види-
мыми стенками, как у растений, на самом деле, вероятно,
и есть настоящие клетки —- ведь у них тоже имеются
ядра! Обратившись к микроскопу, оба ученых убедились,;
что общность картины несомненна. Таким образом, лич-
ный контакт двух биологов ускорил создание клеточной
теории, 150-летие которой будет отмечаться в 1989 г.
Вообще, появление научных коллективов, научных
школ является характерной чертой, отличающей науку
XIX века. Ученые одной школы вырабатывали общую
позицию, имели общих учеников, обменивались результа*
тами; научная школа — это в некотором смысле коллек-
тивный разум.
2 М. Б. Беркинблит, Е. Г. Глаголева 33
Дальнейшее развитие электробиологии тесно связано
о научным коллективом, родоначальником которого был
профессор Берлинского университета И. Мюллер. Его
учениками были Т. Шванн — создатель клеточной тео-
рии, Р. Вирхов — один из создателей клеточной физио-
логии, Э. Геккель — знаменитый дарвинист, сформули-
ровавший биогенетический закон, Г. Гельмгольц— один из
открывателей закона сохранения энергии и многие другие.
Его учеником был и Эмиль Дюбуа-Реймон — «отец» элек-
трофизиологии,
Дюбуа-Реймон и его друзья
Еще в студенческие годы Э. Дюбуа-Реймон
вместе со своими друзьями К. Людвигом, Э. Брюкке и
Г. Гельмгольцем (первые двое были однокашниками
Дюбуа, а Гельмгольц учился в Военно-медицинском ин-
ституте, так как не мог платить за обучение в универси-
тете; после института ему пришлось несколько лет рабо-
тать военным врачом, отрабатывая обучение) выработали
четкую научную программу; создать новую,, физико-хи-
мическую биологию.
В одном из своих ранних писем Дюбуа писал: «Брюк-
ке и я — мы поклялись выявить правду, что в организме
не действуют никакие иные силы, кроме физических и
химических».
Слова «иные силы» — это намек на «жизненную силу»,;
с помощью которой в то время большинство ученых
(и в их числе учитель Дюбуа И. Мюллер) объясняли
жизненные процессы. В противовес этой точке зрения
четверо друзей утверждали, что физика должна не просто
служить образцом экспериментального подхода к природе
и строгости рассуждений, но и прямо использоваться для
объяснения биологических явлений. Они считали, что
знание физики необходимо для биолога, и учебники по
физиологии, которые они напишут, став маститыми и зна-
менитыми, будут начинаться с изложения физических
законов. Во всех своих работах при изучении самых раз-
ных физиологических явлений (работы органа слуха,
почек и др.) друзья оставались верны своей биофизической
программе.
Научная жизнь Дюбуа была очень удачной. Уже в воз-
расте 33-х лет он стал членом Прусской академии наук.
Ему удалось создать специальный институт,; где были
отделы физики^ химииА микроскопических исследований^
34
специальные мастерские, где изготавливались приборы
и оборудование. В этом институте бывали и работали мно-
гие немецкие и приезжие ученые; например, из России
приезжали И. М. Сеченов, Н. Е. Введенский, В. М. Бех-
терев, знаменитый врач С. П. Боткин и др. Именно в ре-
зультате работ Дюбуа возник новый отдел физиологии —
физиология мышц и нервов.
А началось все с того, что в 1841 г. И. Мюллер дал
ему, тогда 22-летнему студенту третьего курса, тему для
Рис. 5. Комплекс приборов Дюбуа-Реймона: А — неполяризую-
щиеся электроды, Б — санный аппарат Дюбуа-Реймона (1 —
первичная катушка, 2 — вторичная катушка, 3 — молоточек Нефа,
4 — гальванический элемент Даниэля, 5 — шкала, 6 — ключ),
В — раздражающие электроды, Г — гальванометр
самостоятельной работы — повторить опыты Меттеучи,
который к этому времени стал уже академиком. Дюбуа
увлекся этой темой, и хотя в дальнейшем он иногда за-
нимался другими вопросами (порой чисто физическими),
фактически всю свою научную жизнь посвятил электро-
физиологии.
Продумывая полученное от Мюллера задание, Дюбуа
понял, что «повторить» опыты Маттеучи не так-то просто:
в это время каждый ученый имел приборы собственной
конструкции, и сопоставлять их показания было практи-
чески невозможно. Поэтому Дюбуа, выполняя курсовую
работу, одновременно поставил своей задачей разработать
специальное оборудование, которое позволило бы в разных
лабораториях получать сравниваемые результаты. В ито-
ге он создал комплекс приборов, обслуживающий все ос-
новные моменты исследований: раздражение мышц и нер-
вов, отведение возникающих в них потенциалов, т. е., как
их принято называть, биопотенциалов, и их регистрацию.
2* 35
Прибор для раздражения, который назывался «санный
аппарат Дюбуа-Реймона», позволял строго дозировать раз-
дражающее воздействие (рис. 5). Он представлял собой две
катушки с большим числом витков; одна катушка могла
выдвигаться из другой, скользя по специальным полозь-
ям. К внутренней — первичной — катушке присоедини-
ли источник тока — гальванический элемент Даниэля с
известным значением э.д.с. В цепь был включен преры-
ватель тока — молоточек Нефа, такой, какой сейчас ис-
пользуют в электрическом звонке. Во вторичной катушке
возникал индукционный ток (вот как открытие Фарадея
было использовано в физиологии!); этим индукционным
током раздражали нерв или мышцу. Если одну из катушек
выдвигали далеко из другой, то раздражающий ток был
слабее; степень выдвижения катушек отмечалась на спе-
циальной линейке. И если в статьях по биологии было на-
писано: «Сила раздражения была равна 12 см», все пони-
мали это однозначно. Индукционные катушки использо-
вались в биологических лабораториях еще в 50-х годах
нашего века; только лет двадцать пять назад их вытесни-
ли электронные генераторы тока, так называемые электро-
стимуляторы.
Усовершенствование, введенное Дюбуа для отведения
биопотенциалов, было очень существенным: он понял, что
биопотенциалы нельзя отводить просто медными проволоч-
ками, так как в месте соприкосновения металла с тканью
возникают потенциалы, вполне сравнимые с теми, которые
хотят измерить. Разработанные Дюбуа специальные элек-
троды (их называют неполяризующимися) не создава-
ли такой разности потенциалов.
Трудности, связанные с измерением биопотенциалов,
сходны во многом с трудностями измерения э.д.с. источ-
ника; их не устранить только повышением чувствитель-
ности приборов, необходимо еще, чтобы внутреннее соп-
ротивление прибора было гораздо выше внутреннего соп-
ротивления источника тока. Дюбуа остроумно обошел
эти трудности, придумав так называемый компенсацион-
ный метод измерения потенциала, возникающего в мышце
(сходный принцип лежит в основе широко применяюще-
гося в электротехнических измерениях мостика Уинстона).
Все эти, казалось бы, технические и потому второсте-
пенные усовершенствования на самом деле сыграли нема-
ловажную роль в том, что исследования Дюбуа-Реймона,
начатые им на студенческой скамье, стали выдающимся
достижением науки того времени. Более тогоА они оказа-
ли существенное влияние и на уровень всех проводимых
в то время работ по электробиологии, так как Дюбуа-Рей-
мои широко пропагандировал свои приборы, дарил их сво-
им коллегам (например, индукционную катушку в Россию
привез Сеченов). Словом, как теперь сказали бы, занимал-
ся внедрением своего комплекса, добиваясь стандартиза-
ции электрических измерений в биологии.
Следует отметить, что такая стандартизация совершен-
но необходима для соблюдения общепринятого в совре-
менной науке требования к эксперименту — требования
воспроизводимости. Так что внимание Дюбуа к «техничес-
кой», методической стороне дела следует рассматривать
как серьезный вклад в разработку общих принципов мето-
дологии естественных наук.
Работы Дюбуа-Реймона шли в двух основных направ-
лениях: во-первых, он изучал токи, генерируемые живы-
ми тканями (тут он продолжал линию Гальвани — Мат-
теучи); во-вторых, он изучал законы действия электри-
ческого тока как раздражителя нервов и мышц (здесь он
продолжал тему, начатую Фонтана и Вольта).
Работы Дюбуа и его школы по первому направлению
дали возможность выделить из многообразия отдельных
разрозненных экспериментальных данных два основных
явления электробиологии.
Основные явления электробиологии:
биопотенциалы
Если надрезать мышцу поперек волокон, то
между разрезом и нетронутой поверхностью мышцы об-
наруживается разность потенциалов. Ток, регистриру-
емый при этом, Дюбуа-Реймон назвал током повреждения.
Если раздражать нерв или мышцу (причем не обяза-
тельно электричеством), то в месте раздражения возни-
кает электрический сигнал, который распространяется
по нерву или мышце; этот сигнал Л. Герман (ученик
Дюбуа) назвал током действия.
Со всей присущей ему тщательностью Дюбуа применил
разработанный им комплекс приборов к изучению этих
явлений. Так, он не просто повторил опыты Маттеучи, по-
казавшего, что в поврежденной мышце возникает электри-
ческий ток, а проверил, как меняется картина, если элек-
троды помещать ближе к месту повреждения или дальше,
что будет, если оба электрода ввести в поврежденный
конец мышцы2 зависит ли ток повреждения от направле-
ния разреза и его величины, одинаково ли явление в раз-
ных мышцах и т. д.
Оказывается, что во всех мышцах наблюдается при-
мерно одинаковая картина: по наружной поверхности пов-
режденной мышцы (вернее, по раствору, омывающему эту
мышцу) идет электрический ток по направлению к месту
разреза, причем с течением времени сила тока ослабевает.
Этот процесс довольно длителен: ток исчезает через несколь-
ко часов после повреждения.
Дюбуа пробовал обнаружить подобные явления и на
других тканях и получал уже совсем новые результаты.
В 1843 г. он открыл ток повреждения в нерве. (Это был
первый случай,^ когда электричество объективно зареги-
стрировали в нервах; гальванометры Маттеучи были для
этого недостаточно чувствительными!) Сделав эти откры-
тия, Дюбуа исследовал нервы самых разных животных:
омара, щуки, лягушки, утки, кролика, кошки,: собаки,;—
так что его можно считать основателем сравнительной элек-
трофизиологии. Во всех случаях значения потенциала пов-
реждения оказались примерно одинаковыми (порядка
0,02 В), и Дюбуа сделал вывод, что нервы самых разных
животных устроены достаточно сходно. Он первый по-
лучил своеобразную электроэнцефалограмму, обнаружив
ток повреждения в коре больших полушарий.
Кроме того, в 1848 г. Дюбуа обнаружил разность по-
тенциалов между наружной и внутренней поверхностя-
ми кожи лягушки (примерно 0,1 В). Эту разность потен-
циалов он объяснил работой кожных желез и, как вы даль-
ше узнаете, был недалек от истины.
Результаты своих исследований Дюбуа-Реймон изло-
жил в трех больших томах «Исследования по животному
электричеству» (1848,; 1849,; 1869 гг.). Разумеется, в этих
томах не все данные были получены лично Дюбуа. Но имен-
но он был тем человеком,; который привел все сведения
о «животном электричестве» в систему^ провел колоссаль-
ную работу по их уточнению и восполнению недостающих
деталей. Он описал, при каких условиях^ где, на каких
объектах можно наблюдать биопотенциалы,; привел их
характеристики и т. д., словом^ как это принято говорить,;
дал полную феноменологическую картину»
И. М. Сеченов писал о Дюбуа-Реймоне: «Произнося имя
знаменитого берлинского профессора Дюбуа-Реймона, нель-
зя не сказать сразу, что он принадлежал к числу тех
избранников, которые прокладывают пути в темные облас-
ти не для одного, а для нескольких поколений».
38
Раздражающее действие тока:
Дюбуа-Реймон
Еще Вольта пытался «внести меру» в изу-
чение раздражающего действия тока, но у него ничего не
вышло, потому что лапка лягушки была куда более чув-
ствительна, чем лучшие его электроскопы. Дюбуа начи-
нает заново изучение этого вопроса: у него есть новые ис-
точники раздражения — гальванические элементы или
санный аппарат — и чувствительные гальванометры.
Прежде всего Дюбуа пробует раздражать мышцу,
включая постоянный раздражающий ток разной силы.
Ему удается измерить ту минимальную силу тока, кото-
рая заставляет мышцу сократиться. Эту минимальную
силу тока Дюбуа назвал пороговой силой раздражения (или
пороговой силой тока). Тем самым он ввел одно из основ-
ных понятий электробиологии. Выяснилось, что порог
не является абсолютной константой: например, разные
мышцы имеют разные пороги.
Дюбуа пробует выяснить, как будет действовать на
мышцу не постоянный ток, а ток, постепенно нарастаю-
щий по времени. Обнаружилось, что скорость нараста-
ния [тока очень важна: если включать постоянный ток, то
мышца возбуждается при небольших силах тока, если же
увеличивать силу тока постепенно, начиная с нуля, то мыш-
ца не возбуждается и при значительно более сильном токе»
Более того, при достаточно медленном нарастании силы
тока мышца могла вообще не возбудиться (рис. 6). Впечат-
ление было такое, как будто бы при медленном нараста-
нии тока мышца «привыкает» к его действию (это явление
в дальнейшем назвали аккомодацией).
Наконец, Дюбуа-Реймон попробовал выяснить, как
влияет на мышцу время действия тока: для этого он включал
постоянный ток на некоторое время и выключал его. На
основании таких опытов он пришел к заключению, что
время действия тока не играет никакой роли, и ошибся.
В этом случае его подвело несовершенство приборов —
он не мог включать ток на сотые или тцсячные доли се-
кунды.
Что же удалось выяснить Дюбуа о, может быть, самом
главном процессе — «электрической картине», развиваю-
щейся в нерве или мышце в ответ на раздражение? Очень
немногое. Препятствием тут послужила та же трудность —
невозможность работать с кратковременными электричес-
кими сигналами. Все гальванометры Дюбуа были силь-
39
во инерционными и не позволяли регистрировать крат-
ковременные токи.
Эти трудности удалось преодолеть ученикам и последо-
вателям Дюбуа. А таких было много,; и все они испытали
на себе влияние работ Дюбуа и его личности, переняли
от него не только научную позицию,; но и стиль работы:
внимание к технике эксперимента, тщательность в выяс-
нении деталей. Так что Дюбуа-Реймон был не только «от-
Рис. 6. Зависимость процесса раздражения от скорости нарастания
раздражающего тока и его длительности, а — Явление аккомода-
ции. Точка со стрелкой — момент возбуждения; чем медленнее
нарастает ток, тем позднее и при большей силе тока возникает
возбуждение. Для медленно нарастающего тока (прямая 3) воз-
буждение вообще не возникает, б — Кривая «сила — длитель-
ность». По оси абсцисс — время действия тока, по оси ординат —
пороговая сила тока. Значками отмечены результаты экспериментов
для разных объектов: 1 — мышца лягушки, 2 — мышца моллюска,
3 — желудок лягушки, 4 — водоросль спирогира. За единицу на
оси ординат принята минимальная сила тока, которая вызывает
возбуждение у данного объекта. Масштаб времени также разный
у разных объектов: 1 — 1 мс, 2 — 50 мс, 3 — 2 с, 4 — 20 с. (Из
книги: Гинецинский А. Г., Лебединский А. В9 Основы физиологии
человека и животных.— М.: Медгиз, 1947)
j____।____।___।___।___□____
1 2 3 t '
6
цом электробиологии», но и «научным отцом» большинства
электрофизиологов того времени, т. е. главой обширной
и очень плодотворной научной школы.
Однако не следует думать, что его последователи сле-
по и почтительно подражали своему мэтру, стараясь под-
тверждать и, может быть, чуть-чуть развивать сделанное
им. Пожалуй, как раз наоборот: научная жизнь школы
Дюбуа была достаточно бурной. Не остановившись в свое
время перед тем, чтобы выступить с программой, опро-
вергающей основную позицию своего учителя Мюллера —
40
сторонника «жизненной силы», Дюбуа-Реймон вырастил
таких же строптивых учеников.
И именно в школе Дюбуа-Реймона возник второй «ве-
ликий спор», по своему значению и результатам сравни-
мый со спором Гальвани и Вольта.
Раздражающее действие тока:
последователи
Заключение Дюбуа, что время действия то-
ка не влияет на эффективность его раздражающего дей-
ствия,— одна из его немногих фактических ошибок. Эта
ошибка была исправлена одним из его последователей про-
фессором Цюрихского университета А. Фиком. Интерес-
но, как он обошел трудность, связанную с отсутствием нуж-
ных приборов. Он рассудил, что если невозможно полу-
чить достаточно короткие импульсы раздражающего то-
ка, потому что мышца реагирует очень быстро, то нужно
поискать мышцу, в которой возбуждение идет помед-
леннее. А так как Фик занимался сравнительной физио-
логией, то знал, у кого искать такие мышцы. И вот на мыш-
це моллюска беззубки он смог показать, что даже очень
сильные токи не вызывают возбуждения, если они дейст-
вуют короткое время. Чем слабее ток, тем дольше он
должен действовать, чтобы возбудить мышцу.
Эти наблюдения были одним из первых законов элек-
тробиологии, который удалось выразить в виде форму-
лы. Количественная зависимость пороговой силы тока (Г)
от времени его действия (t) (так называемая кривая «сила
тока — длительность») в виде формулы выражается так:
/ = 1 + (2.1),
где а и Ь — константы.
Если посмотреть на график этой зависимости
(рис. 6, б), то можно понять, почему Дюбуа считал время
действья тока несущественным: он работал с токами боль-
шой длительности, а гипербола при таких значениях дли-
тельности идет практически параллельно оси абсцисс. Мож-
но сказать, что Дюбуа-Реймона подвела гипербола!
Интересные данные о раздражающем действии пос-
тоянного тока были получены последователем Дюбуа
Э. Пфлюгером. Так, совершенно неожиданно оказалось,,
что нерв или мышца возбуждаются не только при включе-
нии тока2 но и при выключении! При включении тока воз-
41
буждение возникает под катодом^ а при выключении —
под анодом.
В 1876 г. французский ученый Э. Марей воспроизвел
хорошо забытые к тому времени опыты Фонтана, показав-
шего, что сердце в течение некоторого промежутка вре-
мени после возбуждения теряет чувствительность к элект-
рическому раздражению: в это время его нельзя возбу-
Рис. 7. Кривая рефрактер-
ности. По оси абсцисс —
время, прошедшее после
предыдущего возбуждения,
по оси ординат — пороговая
сила тока, £абс — абсолют-
ный рефрактерный период
дить даже самым сильным током.
Марей показал,; что таким же
свойством обладают и другие
мышцы. Он также обнаружил,;
что когда после некоторого от-
дыха сердце начинает опять от-
вечать на стимул, то порог раз-
дражения сначала очень высок,
а потом постепенно снижается
(рис. 7). Этот отрезок времени
Марей назвал относительным
рефрактерным периодом в отли-
чие от абсолютного рефрактер-
ного периода, когда сердце во-
обще не отвечает на стимуля-
цию.
Можно было бы рассказать
еще о десятках и десятках ин-
тересных опытов и привести
массу фактов и обнаружен-
ных в это время закономерностей. Однако, поступи мы так,;
разумный читатель наверняка стал бы пропускать стра-
ницы, а то и совсем бросил бы читать. И в некотором смыс-
ле он был бы прав. Постепенно наступало время, когда
сильная сторона школы Дюбуа-Реймона стала оборачи-
ваться недостатком: многочисленные эксперименты, при-
мерно повторяющие уже десятки раз сделанное с некото-
рой модификацией или уточнением, уже, скорее, создава-
ли помеху в работе, чем способствовали движению науки
вперед.
Эксперимент — основа естественных наук, но сам по
себе, не уложенный как кирпичик в общее здание теории,
он дает ответ только на вопрос, что происходит, и не мо-
жет объяснить, как и, главное, почему это происходит.
И несчастные студенты в течение ста лет вынуждены
были учить к экзаменам все эти разрозненные факты, не
имея понятия, как они между собой связаны и что за ни-
ми стоит, в чем механизм таких явлений^ как рефрак-
42
терность, аккомодация, порог раздражения $ а главное,;
откуда берется электричество в организме.
Потерпите и вы еще немного: прежде, чем перейти к
«развязке», рассказу о том, как наконец была разгадана
тайна «животного электричества», мы расскажем еще
о двух работах, важных не только по существу, но и пото-
му, что здесь выступают на сцену новые герои нашего ро-
мана об электробиологии. Обе эти работы сближает то,;
что в них с помощью остроумных приемов удалось прео-
долеть уже упоминавшуюся трудность того периода —
сложность изучения кратковременных процессов.
Скорость распространения возбуждения
В 1846 г. И. Мюллер писал: «Время, необ-
ходимое для передачи ощущения с периферии тела в мозг
и для возвращения возбуждения к мышцам, бесконечно
мало и измерено быть не может». Однако всего через 4 го-
да это время удается измерить.
Мюллер, как мы упоминали, считал возбуждение про-
явлением «жизненной силы», а как она распространяет-
ся — кто знает! Но и электрический сигнал по проводам
тоже распространяется почти мгновенно — это уже было
известно. Если считать, что возбуждение, идущее по нер-
ву, имеет электрическую природу, тоЛ по-видимому, бес-
смысленно пытаться измерить его скорость — слишком
малы расстояния. И все же нашелся человек, который сде-
лал такую попытку: это был друг Дюбуа-Реймона, заме-
чательный учевый Герман Гельмгольц *).
В 1850 г. Гельмгольц был профессором физиологии
Кенигсберского университета. Там он и придумал несколь-
ко вариантов опытов для измерения скорости возбужде-
ния. (Незадолго до этих опытов К. Людвиг — один из
четырех друзей, о которых мы говорили,— изобрел ки-
мограф.) Один из вариантов опыта выглядел так. На вра-
щающийся барабан была намотана закопченная бумага.
Гельмгольц брал нервно-мышечный препарат и закреп-
лял мышцу около барабана (рис. 8). К мышце прик-
*) Гельмгольц сформулировал и математически обосновал
закон сохранения энергии, сконструировал колебательный контур
из катушки и емкости, выдвинул идею «атомарного» строения элек-
тричества, создал теорию вихревого движения жидкости, разрабо-
тал резонансную теорию слуха, создал учение о цветном зрении,
изобрел офтальмоскоп, объяснил возникновение морских волн
и т. д.
43
реплялось перо, так что сокращение мышцы вызывало
след на движущейся бумаге. Когда нерв раздражался,
момент раздражения с помощью специального устройства
отмечался на ленте. На той же бумажной ленте было
видно, через какой промежуток времени отвечает сок-
ращением мышца. Так можно было узнать время от момен-
та раздражения нерва до начала сокращения машцы. Но
толку от этого было мало: ведь за это время возбуждение
Рис. 8. Схема опытов Гельмгольца по определению скорости рас-
пространения возбуждения. А — кимограф, Б — датчик времени,
В — отметчик раздражения, Г — регистратор сокращения мышцы
(М), Рг и Р2 — раздражающие электроды (ближние и дальние),
I и II — кимограммы соответственно первого и второго опыта:
а — метка времени, б — отметка раздражения, в — регистрация
сокращения мышцы, tx и t2 — времена от момента раздражения
нерва до момента сокращения мышцы. (Время \t — t2 — t± затра-
чивается на прохождение сигнала по нерву от дальних до ближних
электродов, отсюда скорость сигнала и = &1/
должно было дойти по нерву до мышцы, передать мыш-
це сигнал к сокращению, после чего в мышце должен был
развиться процесс сокращения. Как разделить все эти
времена? Гельмгольц придумал такой способ. Он раздра-
жал нерв вторично, но в другом месте, например на рас-
стоянии 5 см от первой точки раздражения. Теперь
сокращение мышцы наступало немного позднее, считая от
момента раздражения. Разница этих времен могла зави-
сеть только от того, что возбуждение прошло лишние 5 см.
Зная скорость вращения барабана, можно было опреде-
лить время запаздывания, а так как расстояние между дву-
мя точками раздражения нерва было известно, можно бы-
ло определить и скорость распространения возбуждения
по волокну,
44
Оказалось, что возбуждение распространяется по нер-
ву со скоростью всего 30 м/с, т. е. в сто миллионов раз мед-
леннее, чем электрический сигнал, и даже в десять раз
медленнее, чем звук! Этот результат, с одной стороны, был
сильным ударом по представлениям о мгновенно распро-
страняющейся «жизненной силе», но, с другой стороны,
поставил перед электробиологией новый сложный воп-
рос: чем же объясняется такое сильное отличие этой ско-
рости от скорости распространения электрического сигнала
в металлах и электролитах? Получается, что «живот-
ное электричество» не так-то просто поддается объясне-
нию с помощью тех понятий, которые были выработаны
для электричества «неживого», чисто физического. В свя-
зи с этим возобновились разговоры об особых свойствах
«животного электричества», в то время как другие ученые
высказывали сомнение об электрической природе распро-
странения возбуждения по нервным волокнам.
«Волна возбуждения»
Это сомнение было развеяно учеными млад-
шего поколения школы Дюбуа-Реймона, в дальнейшем
ставшими главными героями науки о «животном электри-
честве»,— Юлиусом Бернштейном и Людвигом Германом.
Они сильно продвинули вперед изучение «белого пятш»
в явлениях электробиологии — процесса возбуждения
в нервах и мышцах.
Как вы помните, «уловить» электрические характерис-
тики возбуждения очень трудно — сам Дюбуа не смог ре-
шить этой задачи, так как процессы возбуждения очень
быстры, кратковременны. Поэтому с помощью даже очень
высокочувствительных, но обладающих большой инер-
цией гальванометров, имевшихся тогда в распоряжении
исследователей, можно было лишь с достоверностью обна-
ружить сам факт электрического ответа мышцы или нер-
ва, но не проследить за изменениями его во времени. Од-
нако Герман и Бернштейн успешно справились с этой очень
трудной для того времени задачей. Мы не будем подроб-
но описывать их многочисленные и остроумные ухищре-
ния, а приведем лишь результаты исследований. Им уда-
лось установить форму волны возбуждения и изме-
рить скорость распространения этого электрического сиг-
нала вдоль по мышце или нерву.
Обнаружилась картина, изображенная на рис. 9: сна-
чала возбуждение от раздражающих электродов подхо-
45
дит к первому регистрирующему электроду, и он становит-
ся отрицательно заряженным по отношению ко второму,;
а потом возбуждение подходит ко второму электроду,;
и теперь уже этот электрод приобретает отрицательный
потенциал. Следовательно, возбужденная область волокна
на короткое время становится отрицательно заряженной^
как место разреза при регистрации тока повреждения.
Таким образом был описан нервный импульс, или, как
назвал его Герман, распространяющийся потенциал дей-
ствия ♦). Герман и Бернштейн проследили за движением им-
пульса по волокну и даже — что очень важно (!) — из-
мерили скорость этого движения, т. е. скорость распрост-
ранения возбуждения. А важно это потому, что скорость
оказалась точь-в-точь равной той, которую за двад-
цать лет до того измерил Гельмгольц!
Подведем некоторые итоги. К концу XIX века в основ-
ном стараниями ученых школы Дюбуа-Реймона были от-
крыты и исследованы основные электрофизиологические
явления: потенциал (ток) покоя, который вначале назы-
вали током повреждения, потенциал (ток) действия, ко-
торый распространяется по волокну, а также были ис-
следованы некоторые феноменологические законы раз-
дражающего действия тока, например, было введено
понятие р ефр актер но сти.
Однако до объяснения этих явлений было еще дале-
ко. Главная загадка состояла в том, откуда и как возни-
кают потенциал покоя (в дальнейшем в этой книге мы бу-
дем обозначать его ПП) и потенциал действия (ПД)? Где
та электростанция, тот генератор, которые их создают?
Несмотря на значительное развитие теории электри-
чества и электротехники природу ПП и ПД не удавалось
сколь-нибудь удовлетворительно объяснить. Электро-
химия еще не имела достаточной теоретической базы, хо-
тя изучение тока и началось с появления вольтова столба,
т, е. электрических процессов на границе жидкости,
*) Сейчас форму потенциала нерва или мышцы можно увидеть
непосредственно на экране осциллографа: это делают студенты
на лабораторных работах — и это замечательно, но не менее заме-
чательно, что 100 лет назад ученые сумели ее «увидеть» без всякого
осциллографа.
Заметим, что для биологических исследований электронного
осциллографа самого цо себе обычно недостаточно. Возникающие
в нервах и мышцах потенциалы слишком малы для заметного откло-
нения луча осциллографа, поэтому требуется еще один прибор —
усилитель. Усилитель и осциллограф были введены в практику
биологических исследований в 20-х годах нашего века американски-
ми учеными Гассером и Эрлангером^
46
Рис. 9. «Волна возбуждения» — электрический сигнал? регистри-
руемый внеклеточными электродами при распространении возбуж-
дения. Заштрихованная область — возбужденный участок нерва,
кривая справа — график изменения потенциала, регистрируемого
гальванометром
Порой даже создавалось впечатление, что электричес-
кие явления в живом организме нельзя свести к тем, кото-
рые встречаются в технических устройствах. Например,
нервный импульс имел электрическую природу, но рас-
пространялся по нерву с необычайно малой скоростью.
Масса накопленных фактов требовала создания объеди-
няющей их теории.
ГЛАВА 3
КАК В КЛЕТКЕ ВОЗНИКАЕТ
РАЗНОСТЬ ПОТЕНЦИАЛОВ
Молодые люди... читают Молешотта,’ Дюбуа-Реймона и Фох-
та, да и тем еще не верят на слово, а собираются проверять
и даже дополнять их собственными соображениями.
Н. А, Добролюбов (Современник, 1858, № 3)
Возможно, в результате нашего рассказа
создается впечатление, что Дюбуа-Реймон был «чистым»
экспериментатором. Но это совершенно неверно. Он имел,
как уже говорилось, научную позицию: «Нельзя припи-
сать частицам материи в организме каких-либо новых сил,
которые бы не действовали и вне организма». Исходя из
этой позиции он и предложил первое теоретическое объяс-
нение потенциала повреждения: электрические явления
в живых организмах возникают потому, что вдоль мышц
и нервов якобы тянутся цепочки особых «электромотор-
ных» молекул. Каждая такая молекула представляет со-
бой как бы два гальванических элемента, соединенных по-
ложительными полюсами, так что наружу выходят толь-
ко отрицательные полюса. Где бы ни разрезать мышцу, на
разрезе обнажатся отрицательные полюса, чем и объяс-
няется потенциал повреждения.
Здесь четко видно, как биологическая теория строит-
ся на основании аналогии с современной ей физической
теорией: последним словом о магнетизме была тогда теория
Ампера о том, что свойства постоянных магнитов объясня-
ются тем, что каждая молекула является маленьким маг-
нитиком.
Дюбуа-Реймон придумал, как теперь сказали бы, мо-
дельный эксперимент для проверки своей гипотезы. Он
напаял много маленьких элементиков «медь — цинк», сое-
динил их попарно положительными полюсами, укрепил
на деревянной доске и, погрузив всю систему в раствор
соли, стал проводить на этой «искусственной мышце» такие
же эксперименты, которые он проводил на мышце живой.
Обнаружилось, что распределение токов в такой модели
действительно было сходно с распределением токов у ре-
альной мышцы,
Благодаря такой оригинальной разработке, а отчас-
ти и авторитету Дюбуа-Реймона теория электромотор-
48
ных молекул, несмотря на ее фантастичность, была обще-
признанной почти четверть века с момента ее выдвижения
молодым Дюбуа в 1846 г.
Ну и молодежь пошла!
Но вот подросли ученики Дюбуа-Реймона —
они-то и оказались «подрывателями устоев». Все началось
с Людвига Германа, в котором Дюбуа-Реймон воспитал
уважение к техническим деталям, тщательность и точность
в экспериментах. Дело в том, что по модели Дюбуа-Рей-
мона в нормальной целой мышце тоже должны идти токи,
так как в области сухожилий торчат ничем не скомпенси-
рованные «самые последние в ряду» отрицательные концы
электромоторных молекул. Дюбуа-Реймон обнаруживал
такие токи, не делая специального разреза. Но когда ак-
куратный Герман научился так препаровать мышцу, что-
бы действительно не повредить ее, оказалось, что в таких
условиях никакие токи не возникают.
Значит, рассуждал Герман, в нормальной целой мыш-
це и нерве вообще нет никаких токов и потенциалов. То-
ки возникают только тогда, когда мышцу или возбужда-
ют, или повреждают. И причиной этого, предположил
Герман, являются химические реакции, которые начи-
нают идти на границе нетронутой и поврежденной прото-
плазмы.
Возражения Германа не смутили Дюбуа-Реймона: ну,
и что же, значит, в конце мышцы есть другие молекулы —
положительные, которые экранируют отрицательные
полюса. Но все равно внутри мышцы токи есть всегда,
а повреждение нужно только, чтобы их обнаружить.
На этом и сосредоточился второй «великий спор» в элек-
тробиологии: возникает ли электричество в мышце толь-
ко в момент повреждения (гипотеза повреждения, или
альтерации) или существует до повреждения (гипотеза
предсуществования).
Есть ли в неразрезанном арбузе семечки?
Одним из самых весомых аргументов в на-
учных спорах является эксперимент, однако бывает и так,
что одна группа ученых придумывает красивый опыт, впол-
не убедительно его истолковывает, и все считают, что она
победила, но потом выясняется, что опыт может иметь и
совсем другое истолкование.
49
Спор двух гипотез о возникновении электричества в
живых тканях в этом отношении очень интересен: если
подумать, можно прийти к заключению, что разрешение
этого спора прямым экспериментом невозможно. Ведь ка-
кой бы опыт для измерения разности потенциалов меж-
ду наружной и внутренней частями мышцы ни поставить,
неминуемо придется проникать в эту внутреннюю область,
а тогда сторонники гипотезы альтерации скажут, что на-
несено повреждение. По той же причине сторонники гипо-
тезы альтерации не могут доказать, что в нетронутой мыш-
це не существует разности потенциалов между ее внутрен-
ними и наружными частями.
Однако это соображение, по-видимому, не пришло в го-
лову участникам дискуссии, и для подтверждения той или
иной гипотезы ставились многочисленные новые опыты,
которые хотя и не могли переубедить противников, но су-
щественно способствовали развитию электрофизиологии.
Например, Герман поставил такой опыт. Он очень быст-
ро разрезал мышцу и показал, что потенциал регистри-
руется не сразу после разреза, а спустя примерно 0,02 с.
Это обстоятельство он объяснил тем, что требуется время
для развития необходимых химических реакций. Но да-
же если бы опыт был верен, он не опроверг бы гипотезу
предсуществования: Дюбуа-Реймон считал, что при воз-
буждении молекулярные батарейки выключаются и потом
через некоторое время снова включаются; то же самое
может происходить и при повреждении.
Однако в 1904 г. Бернштейн, который к этому време-
ни стал научным противником Германа, и его сотруд-
ник Чермак, повторив опыт Германа, показали, что уже
через 0,3 мс после разреза можно зарегистрировать раз-
ность потенциалов. Но это не возымело никаких послед-
ствий. Герман просто решил, что реакции в результате
повреждения развиваются быстрее, чем он первоначаль-
но думал.
Так можно ли вообще решить, кто прав в этом споре?
Конечно, можно. Ведь уверен, например, каждый из нас,
что семечки внутри арбуза существуют там до того, как мы
его разрезали, а не появляются в момент разрезания и в ре-
зультате разрезания.
А, собственно, почему? Почему мы так уверены в су-
ществовании семечек внутри арбуза, хотя никак не можем
это проверить, не разрезая его? Такую уверенность нам да-
ет понимание того, как возникают эти семечки. Точно
так же и в случае с биопотенциалами: для того чтобы ре-
50
шить спор Дюбуа-Реймона и Германа, надо было объяс-
нить механизм возникновения этого потенциала или до
повреждения, или в результате повреждения. При этом
следовало строить это объяснение так, чтобы оно не про-
тиворечило другим научным данным и вписывалось в об-
щую картину. То есть основное содержание спора было не
в том, когда возникает потенциал, а как он возникает.
Творцом теории биопотенциалов стал ученик Дюбуа-
Реймона Юлиус Бернштейн.
А различные идеи, факты и открытия, на которых эта
теория основывается, накапливались в науке очень долго.
Отступление о детективах. Научное исследование часто похо-
же на детектив. Вернее, не на литературный детектив, а на реаль-
ное настоящее следствие. Чтобы выяснить истину: как все произош-
ло (а иногда — и что именно произошло) и кто виновник, а главное —
собрать доказательства, приходится проделывать огромную работу.
Здесь все важно: и сбор свидетельских показаний, и уточнение
отдельных фактов вплоть до мельчайших деталей. При этом подав-
ляющее большинство данных оказываются не имеющими отношения
к делу, а тем не менее их нужно собирать — ведь заранее это не
известно. И самое трудное, вероятно, выделить в этом наборе све-
дений ту систему, которая приведет к истине и позволит потом
выстроить стройную цепочку доказательств.
А вот когда следствие описывается в книге, то автору уже из-
вестна разгадка. Он тогда знает, какие детали существенны, а ка-
кие нет; но разные авторы используют эти детали по-разному.
Одни авторы включают в ткань повествования все данные, необхо-
димые для получения разгадки. Но читатель, как правило, их не
замечает или не придает им значения. И только потом, когда Шерлок
Холмс рассказывает доктору Ватсону, как он нашел разгадку,
читатель понимает, почему было важно, что на ужин был чесноч-
ный соус, а собака не лаяла. Читателю иногда даже становится
досадно, что он сам не догадался обо всем.
Очень редко детектив начинается с рассказа о разгадке.
Историю же научных открытий, как правило, пишут именно
так, сразу сообщая ответ. Мы же старались включить в свое изло-
жение по крайней мере те факты и идеи, которые были важны для
научного следствия, не имея возможности (прежде всего из-за
недостатка места) рассмотреть многочисленные ложные версии,
возникавшие по ходу дела.
Сейчас наступило время выстроить из, казалось бы, иногда
совсем не относящихся к делу сведений ту цепочку, которая пока-
жет, кто виновник «преступления», т. е. «животного электричества»,
и каким оружием «преступник» пользовался»
От осмоса к электричеству
В самом начале нашего рассказа мы обмол-
вились вскользь, что аббат Нолле знаменит открытием
осмоса. В то время никому и в голову не могли прийти,
что именно исследование этого явления будет первым ша-
51
Рис. 10. Простей-
ший осмометр: А —
сосуд с раствори-
телем, Б — трубка
с раствором, В —
полупроницаемая
пленка (мембрана),
Г — шкала для из-
мерения разности
уровней h
гом к разгадке тайны «животного электричества». Это слу-
чилось так.
В 1826 г. парижский врач и физиолог А. Дютроше за-
интересовался таким замечательным свойством растения,
как корневое давление, которое гонит сок из срезанного
ствола. Если заключить ствол растения в трубку, то сок
поднимается по ней на заметную высоту.
И сейчас нам кажется удивительным, как это шампинь-
он своей мягкой шляпкой пробивает асфальт, а набухший
в трюме горох может разорвать пароход.
А тогда это казалось чудом: откуда у
слабых корней растений такая сила, что
они ломают камни? Недаром А. Н. Толс-
той в своем фантастическом романе
«Аэлита» придумал, что атланты, пере-
селившиеся на Марс, использовали для
двигателей своих космических кораб-
лей «растительную силу семян».
Дютроше подумал: а нельзя ли все
эти чудеса объяснить осмосом — явле-
нием, открытым еще в 1748 г. аббатом
Нолле (кстати, он же открыл и диффу-
зию жидкостей)?
Напомним, что осмос — это явление
самопроизвольного перехода раствори-
теля в раствор, отделенный от него
перепонкой, через которую проходит
растворитель (например, вода), но не
проходит растворенное вещество (на-
пример, молекулы сахара). Такие
пленки называют полупроницаемыми.
Полупроницаемостью обладают раз-
ные пленки биологического происхождения: кожа лягуш-
ки, стенка мочевого пузыря (Нолле использовал свиной
пузырь) и т. д. Если взять стеклянную трубку и затянуть
один ее конец полупроницаемым материалом, затем на-
лить в трубку раствор сахара и опустить ее затянутым
концом в воду (рис. 10), то вода будет проникать из на-
ружного сосуда в трубку и уровень раствора в трубке
поднимется выше, чем в наружном сосуде, создав так
называемое осмотическое давление.
Дютроше предположил, что это-то давление и является
причиной замечательных свойств растений. Однако зна-
менательно, что само явление осмоса Дютроше считал
проявлением «жизненной силы». Он попробовал заменить
52
бычий пузырь или другие ткани биологического проис-
хождения сосудом из пористой глины, полагая, что такой
опыт безнадежен, ведь «жизненной силы» в глине нет. Но
глиняный сосуд работал ничуть не хуже! Заслуживает
глубокого уважения научное мужество Дютроше, который
смог полностью пересмотреть свои научные воззрения.
С той поры он, по его словам, «...навсегда соединил физику
с физиологией». Дютроше много сделал для объяснения
поглощения воды из почвы, подъема воды вверх по стволу,
движений листьев мимозы и др. Все эти явления он пы-
тался объяснить осмосом (кстати, он придумал и само
это слово).
Но самое главное, Дютроше показал, что осмос — это
чисто физическое явление. С этого момента сторонники
физико-химического направления в биологии начали мно-
гочисленные исследования роли осмоса в организме,
в частности в организме животных. Осмосом начали
объяснять всасывание пищи в кишечнике, а К. Людвиг
пытался объяснить на основе осмоса работу почек. До
сих пор корневое давление объясняется на основе осмоса
в принципе так же, как это было сделано в 60-х годах
прошлого столетия немецким физиологом растений
Ю. Саксом.
Основную роль в исследовании осмоса сыграли в это
время работы ботаников. Именно ботаники первыми на-
чали изучать живое, как теперь говорят, на клеточном
уровне. И это естественно, потому что впервые клетки
были обнаружены именно у растений: они часто более
крупные, чем животные клетки, и, главное, отделены
друг от друга четко видимой под микроскопом перегород-
кой.
Главная задача состояла в том, чтобы выяснить, какие
вещества и как быстро могут проникать в клетку. Пред-
ставим себе, что растительную клетку поместили в кон-
центрированный раствор какого-то вещества. Если это
вещество не проникает в клетку, то за счет осмоса вода
начнет выходить из клетки наружу и клетка должна
уменьшить объем, сжаться. Но изучение осмоса показало,
что видимая в микроскоп клеточная оболочка вовсе не
сжимается, она ведет себя как прочный жесткий каркас,
а вот объем внутреннего содержимого клетки меняется
по законам осмоса. Отсюда немецким ботаником В. Пфеф-
фером был сделан вывод, имеющий чрезвычайно важное
значение для развития биологии. Он предположил, что
на поверхности растительной клетки под «панцирем»
53
имеется еще одна, невидимая в микроскоп оболочка —
клеточная мембрана, которая и играет на самом деле
роль полупроницаемой оболочки.
Пфеффер сделал также следующий принципиальный
шаг в изучении осмоса — он измерил осмотическое дав-
ление. Для этого Пфеффер воспользовался искусствен-
ными полупроницаемыми мембранами. Эти непрочные
пленки он наносил на пористый глиняный сосуд, который
не давал им лопаться от избыточного осмотического дав-
ления. Присоединив к такому сосуду ртутный манометр,
Пфеффер получил прибор для количественного измерения
осмотического давления — осмометр. Измеряя это дав-
ление для разных растворов, он обнаружил, что для каж-
дого раствора оно прямо пропорционально концентрации
растворенного вещества, не проходящего через мембрану.
Но почему для разных растворов при одной и той же кон-
центрации (по массе) получаются разные давления, бота-
ник Пфеффер догадаться не сумел.
Мы уже говорили с вами о тесной взаимосвязи разных
наук. В большинстве случаев, о которых речь шла выше,
физика помогала биологии, подготавливала ее развитие.
Однако, как говорится, долг платежом красен. Без работ
Гальвани не был бы так быстро открыт электрический
ток, без открытия ботаника Броуна медленнее развивалась
бы молекулярно-кинетическая теория, а без работ бота-
ника Пфеффера... Но об этом мы сейчас и расскажем.
В 70-х годах прошлого века молодой голландский
ботаник X. Де Фриз *) занимается влиянием осмоса на
изменение объема клеток растений в растворах разной
концентрации.
В 1894 г. Де Фриз рассказал о работах Пфеффера по
осмотическому давлению молодому химику Я. Вант Гоффу.
Экспериментальные данные Пфеффера оказались для В ант-
Гоффа тем же, чем данные Тихо де Браге для Кеплера.
Внимательно рассмотрев эти данные, Вант-Гофф увидел,
что осмотическое давление в разных растворах получается
одинаковым, если измерять концентрацию не в граммах
на литр, а в молях, т. е. существенной является не масса,
а число молекул растворенного вещества. Естественно
считать, что молекулы растворенного вещества ведут
себя как молекулы идеального газа. Таким образом, для
*) В дальнейшем он стал одним из создателей современной
генетики, переоткрыв в 1900 г. законы Менделя; придумал термин
«мутация». Был ректором Амстердамского университета»
54
выражения осмотического давления можно использовать
уравнение Менделеева—Клапейрона1
р__ mRT
где т — масса растворенного вещества, р, — масса моля,
7? — газовая постоянная, Т — температура, V — объем.
За теорию растворов Вант-Гофф через 15 лет получит
Нобелевскую премию по химии. Вот какой важный вклад
в науку внес Де Фриз, поговорив с Вант-Гоффом.
Теория Вант-Гоффа прекрасно выполнялась для рас-
творов многих веществ, например для сахарозы, для вод-
ного раствора СО2. Но для некоторых веществ осмоти-
ческое давление оказывалось больше расчетного, и не
на какие-нибудь 10—15%, а вдвое! Погрешность состав-
ляла 100%. Вряд ли такую погрешность можно объяс-
нить неточностью измерений.
Обдумывание возможных причин этого расхождения
привело к важнейшему открытию. Единомышленник Вант-
Гоффа шведский ученый С. Аррениус догадался, что если,
например, для поваренной соли давление оказывается
вдвое больше расчетного, то значит, в растворе вдвое
больше частиц, чем молекул NaGl, т. е. молекула NaCl
в воде распадается на две частицы: Na и G1. Из сопостав-
ления этого факта с другими (например, с данными по
проводимости растворов) Аррениус пришел к идее электро-
литической диссоциации, к идее, что частицы, на которые
распадаются многие вещества, и есть те самые ионы —
носители электрических зарядов, с помощью которых еще
Фарадей объяснял законы электролиза.
До Аррениуса считалось, что ионы возникают под
действием электрического тока, но их участие в явлении
осмоса показало, что это не так: ионы предсуществуют в рас-
творе! Уже в самом растворе без действия тока имеются
и движутся заряженные атомы и молекулы.
Так изучение осмоса привело к открытию двух глав-
ных «виновников» возникновения «животного электри-
чества» — клеточных мембран и ионов; но об их роли
пока еще никто не догадывался.
Горячо! Совсем горячо!
В 1887 г. вышли статьи Вант-Гоффа и Ар-
рениуса в первом номере «Журнала физической химии»,
основанного В. Оствальдом. Все вокруг говорили о новом
подходе к химии, о доказательстве существования ионов.
55
А в Берлине в этом году окончил университет 23-летний
В. Нернст. Он станет знаменитым физиком и химиком,,
откроет третье начало термодинамики, получит Нобелев-
скую премию по химии и сменит М. Планка на посту
директора Института физики в Берлине. А пока он скром-
ный ассистент Оствальда, хотя и не новичок в науке.
Работая как экспериментатор, он уже успел открыть
новое явление: возникновение электрического поля в те-
лах, в которых создан градиент температуры, если их
поместить в магнитное поле. Теперь он занялся диссер-
тацией и взялся за теоретическую работу о гальваниче-
ских элементах. Конечно, до него такой теорией зани-
мались великие умы: У. Томсон, Гиббс, Гельмгольц.
Но ведь тогда не знали о ионах! Нернст решил рассмотреть
связь э.д.с. гальванических элементов с диффузией ионов.
В 1889 г. его диссертация была готова и опубликована.
В ней, в частности, была развита идея Вольта о том, что
электрические явления могут возникать при соприкосно-
вении двух разных жидкостей.
Что такое нернстовский потенциал
Пусть в какой-то части сосуда находится
электролит (например, раствор поваренной соли), а в дру-
гой — чистый растворитель (в нашем примере — вода).
Как будет идти диффузия соли? Положительно и отри-
цательно заряженные ионы имеют разную массу, по-раз-
ному взаимодействуют с водой, следовательно, движутся
в жидкости с разными скоростями *). Пусть отрицатель-
ные ионы хлора (анионы) движутся быстрее и при диф-
фузии «убегают» вперед от катионов — возникает «рас-
слаивание» отрицательных и положительных ионов. Это
расслаивание вызывает появление в растворе электри-
ческого поля («минус» — на переднем фронте диффузии),
которое будет тормозить убежавшие вперед анионы и под-
гонять отставшие катионы, выравнивая скорости их
диффузии.
Естественно, Нернст в своей диссертации не ограни-
чился таким качественным описанием, а как настоящий
физик вывел формулу для диффузионного потенциала Уд,
возникающего на границе контакта двух растворов с
♦) Эта идея была высказана еще в 1856 г. И. Гитторфом,
который сумел экспериментально измерить отношение скоростей
движения разных ионов при электролизе.
56
концентрациями электролита Сх и С2:
Т7 и — v RT , Ci
Уд = ----;---ЕГ- ln-тт- ,
д и 4- v F С2
(3.1)
где и — скорость более быстрого иона, v — скорость
более медленного иона, R — газовая постоянная, F —
число Фарадея, Т — температура.
Эта формула давала возможность подвергнуть прямой
количественной проверке гипотезу Германа, согласно
которой биопотенциалы возникают на границе двух участ-
ков протоплазмы — нормального и поврежденного, и через
семь лет такую проверку предпримет замечательный
русский ученый Василий Юрьевич Чаговец. Это будет
первая работа по применению точных количественных
методов к исследованию биопотенциалов.
Когда была опубликована диссертация Нернста, Чаго-
вец еще учился в киевской гимназии. В 1892 г. он поступил
в Петербургскую военно-медицинскую академию. Лабо-
раторией физиологии там руководил И. Р. Тарханов —
ученик Сеченова. Тарханов предложил студенту третьего
курса Чаговцу заняться изучением электрических явлений
в нерве лягушки, точно так же, как за 50 лет до того
И. Мюллер предложил сходную тему студенту третьего
курса Дюбуа-Реймону. (Кстати, в дальнейшем Чаговцу
пришлось на несколько лет бросить занятия наукой и ра-
ботать военным врачом, отрабатывая свое обучение, как
это пришлось сделать и Гельмгольцу.)
Чаговец, конечно, предпочитал гипотезу Германа фан-
тастическим электромоторным молекулам Дюбуа. Но и ги-
потеза Германа была слишком абстрактной. Она говорила
о каких-то реакциях в протоплазме, о каких-то молеку-
лах, границах... И Чаговец развивает конкретный ва-
риант теории повреждения, впервые объясняя возникно-
вение биопотенциалов диффузией ионов.
Но какое же конкретное вещество создает потенциал
повреждения?
Как видно из формулы (3.1), желательно, чтобы анионы
и катионы вещества имели разную подвижность, а также
чтобы его концентрация в месте разреза сильно отлича-
лась от концентрации в неповрежденном участке. Чаго-
вец решил, что это вещество — угольная кислота (Н2СО3).
Он рассуждал так: разрез, как всякое раздражение,
усиливает обмен веществ, а значит и выделение СО2.
На основании данных, полученных еще Л. Германом,
Чаговец принял, что концентрация угольной кислоты
57
в месте разреза увеличивается в 6,5 раз. Разность ско-
ростей ионов Н+ и СОз~ давала для первого сомножителя
формулы (3.1) значение 0,8. Чаговец произвел расчет
потенциала повреждения мышцы при комнатной темпе-
ратуре (^290 К), получилось примерно 35 мВ. На самом
деле потенциал повреждения мышцы составлял 50—60 мВ.
Разница была не слишком велика, но все же вполне ощу-
тима.
Работа Чаговца под названием «О применении теории
диссоциации Аррениуса к электрическим явлениям на
живых тканях» вышла в 1896 г., а на следующий год
ее краткое изложение было опубликовано в «Журнале
физической химии» Оствальда. В своей работе Чаговец
пытался объяснить расхождение результатов расчета с экс-
периментом тем, что концентрация угольной кислоты
при разрезе может быть выше, чем при утомлении мышцы.
Но это предположение было опровергнуто прямыми экс-
периментами: например, нейтрализация угольной кис-
лоты щелочью практически не меняет потенциала повреж-
дения.
Чаговец остановил свое внимание на угольной кислоте
не только потому, что знал о возникновении разности
ее концентрации при работе мышцы, а еще и потому,;
что при ее диссоциации возникает ион водорода — самый
быстрый из всех ионов. Скорости наиболее распространен-
ных ионов примерно одинаковы, так что первый сомно-
житель в формуле (3.1) для них вместо 0,8 будет 0,01—0,2,;
и в результате получатся значения разности потенциалов,,
еще более далекие от реальных. Придумывать же какие-то
фантастические ионы было совсем не в духе Чаговца.
На первый взгляд, идея диффузии ионов как основы
биопотенциалов зашла в тупик. Однако, хотя конкрет-
ный вариант теории биопотенциалов, предложенный Ча-
говцем, оказался ошибочным, основная идея Чаговца
оказалась совершенно верной; Чаговец был очень близок
к решению загадки,
Загадка решена
Еще в 1890 г, Вильгельм Оствальд, который
продолжал заниматься полупроницаемыми искусствен-
ными пленками, предположил, что полупроницаемость
может вызывать не только осмос, но и электрические
явления. Осмос возникает тогда, когда пленка пропускает
маленькие молекулы водыг но не пропускает большие
58. z
молекулы сахара. Но ведь и ионы могут иметь разные
размеры! Тогда мембрана будет пропускать ионы только
одного знака,; например,; положительные. Оствальд прямо
показал, что на искусственных мембранах могут возни-
кать заметно большие разности потенциаловf чем при
свободной диффузии ионов на границе растворов с разной
концентрацией. И не требуется быстрый ион водорода:
годится любой ион, который умеет проходить через мем-
брану и имеет разные концентрации по разные ее стороны.
Действительно, если посмотреть на формулу (3.1)
и предположить, что мембрана для анионов непроницае-
ма,; т. е. v = 0, то можно видеть, что должны получаться
большие значения для диффузионного потенциала;
Ум = ^1п-§- (3.2)
(здесь Рм — потенциал на мембране, разделяющей два
раствора, а Сг и С2 — концентрации катиона, который
может проходить через мембрану в этих растворах).
Таким образом, Оствальд объединил формулу Нернста
и знания о полупроницаемых мембранах. Он предполо-
жил, что свойствами такой мембраны объясняются по-
тенциалы мышц и нервов и удивительное действие элект-
рических органов рыб.
Эта идея Оствальда,; как ни странно, прошла мимо
биологов,; хотя члены самой передовой тогда школы фи-
зиологов — школы Дюбуа-Реймона — были заняты спо-
ром как раз о той проблеме,; путь к решению которой дал
Оствальд. А может быть,; именно спор помешал воспри-
нять эту идею: Герман,; как автор гипотезы повреждения,;
не думал о мембране? а Бернштейн, возглавивший сто-
ронников гипотезы предсуществования^ не думал о ионах.
К тому же и Герман? и Бернштейн были уже не молоды:
и тому и другому перевалило за 50,5 возраст^ когда не-
легко воспринимать новые идеи.
И все же для Бернштейна это оказалось возможным.
Он оценил идею Оствальда,; и,: может быть, немалую роль
в этом сыграло то,; что в самом главном мембранная ги-
потеза была очень в духе школы Дюбуа: никакой таин-
ственной «жизненной силы»,; никаких сложных неизвест-
ных свойств клетки или протоплазмы; все,; что она тре-
бует,— это мембраны и электролиты. Решающий шаг,;
который пришлось сделать Бернштейну^ состоял в том,;
чтобы объяснить электрические свойства мышц и нервов
не устройством этих органов в целому а свойствами кле-
59
ток, из которых состоят все ткани и органы. Наконец-то
был прямо указан «виновник», создающий «животное
электричество»,— клеточная мембрана, а «оружие» — пе-
ренос ионов. Таким образом, в гипотезе Бернштейна
объединяются электрохимия и клеточная теория.
Ю. Бернштейн считается основателем так называемой
мембранной теории биопотенциалов. Его первая статья
по мембранной теории вышла в 1902 г. Начинался новый
век в электробиологии.
Мембранная теория
Давайте же посмотрим, сначала чисто ка-
чественно, как объясняется этой теорией возникновение
биопотенциалов.
Л + О О
о о •+
в
в
ч-е 0 •+ О 0
О е.+ 0 .+ «+
©+• °+ © •+
© 1 © * © 4 ©
а
Рис. 11. Возникновение разности потенциалов на полупроницаемой
мембране: А — раствор с низкой концентрацией ионов (наружная
среда), Б — полупроницаемая мембрана, пропускающая положи-
тельные ионы калия, но не пропускающая анионы, В — раствор
с высокой концентрацией ионов внутри клетки, а — Исходное
состояние до возникновения разности потенциалов: внутри ионов
калия (черные точки) много, снаружи (раствор Л) — мало, но и там,
и там заряды ионов калия компенсируются отрицательными заря-
дами анионов, б — Конечное состояние динамического равновесия:
часть ионов калия проникла через полупроницаемую мембрану,
снаружи положительных зарядов стало больше, чем отрицатель-
ных, внутри — наоборот. Анионы тянут «убежавшие» ионы калия
назад, в результате потоки ионов калия через мембрану в ту и в дру-
гую сторону становятся равными. Возник нернстовский потенциал
Что было важно для Бернштейна в строении органов
и клеток? Мышца или нерв состоят из клеток, окружен-
ных межклеточной жидкостью. Каждая клетка пред-
ставляет собой мешочек или пузырек, покрытый оболоч-
кой и содержащий жидкость другого состава (в которой
находятся разные клеточные органеллы^ например ядро).
60
Оболочка клетки — это и есть мембрана. Она отделяет
клетки не друг от друга (как перегородки в растительной
ткани), а внутреннюю среду клетки от внешней межкле-
точной среды.
Пусть теперь внутри клетки имеется много свободных
ионов какого-то элемента, например калия, а снаружи
таких ионов нет или их гораздо меньше. Пусть клеточная
мембрана пропускает только ионы К+ и не пропускает
никаких других ионов. Тогда ионы К+ начнут выходить
из клетки, где их много, наружу (двигаться по градиенту
концентрации, диффундировать — все эти слова означают
одно и то же). Вместе с ними будет выноситься наружу
их положительный заряд. Внутрь через мембрану будет
проходить мало ионов, так как снаружи мало калия.
В результате на клеточной мембране будет возникать
разность потенциалов: снаружи клетки — «плюс», а внут-
ри — «минус» (рис. 11). Эта разность потенциалов будет
тормозить движение новых положительных заряженных
ионов калия наружу и увеличивать поток этих ионов
внутрь. Когда потоки ионов наружу и внутрь сравняются,
установится динамическое равновесие и на мембране
будет поддерживаться постоянная разность потенциалов.
Это и есть потенциал покоя (ПП). Его величина описы-
вается формулой Нернста (3.2).
Чтобы вывести эту формулу, воспользуемся тем, что согласно
теории растворов В ант-Гоффа переход ионов из раствора с большей
концентрацией С2 в раствор с меньшей концентрацией С± представ-
ляет собой как бы расширение «ионного газа»: если в растворе
с концентрацией С2 некоторое количество ионов занимает объем
Г2, то в растворе с концентрацией Сг они займут объем Vlt причем
= ^2^2* При этом меняется внутренняя энергия ионного
газа, которая и переходит в потенциальную энергию зарядов,
равную qE, где q — заряд, а Е — возникшая разность потенциалов.
Так как изменение внутренней энергии газа определяется
только его начальным и конечным состояниями и не зависит от
того, каким способом произошел переход из одного состояния в
другое, попробуем найти изменение энергии в самом простом
случае — когда при расширении газа совершается механическая
работа.
Пусть у нас есть цилиндр с газом, закрытый поршнем, и пусть
газ, расширяясь, движет поршень, совершая работу, равную
произведению силы на путь: А = FI. Сила равна произведению
давления газа на площадь поршня, т. е. А — PSI. Но произведе-
ние площади на перемещение есть изменение объема газа. Следо-
вательно, изменение энергии газа при расширении определяется
формулой A W = РАК
Если бы давление Р при расширении, т. е. при изменении объ-
ема, не менялось (рис. 12), то работа была бы равна произведению
Р (У2 — Fj), т. е. площади прямоугольника А В CD. Но из уравне-
ния газового состояния RT = PVследует, что с увеличением объема
01
давление падает по закону Р — RT/V (для одного моля). Значит,
при постоянной температуре Т работа расширения одного моля
газа от Vt до У2 равна площади криволинейной трапеции под гипер-
болой (см. заштрихованную фигуру на рис. 12) и может быть вычис-
лена по формуле
V2
с RT |^2 v2
А = \ — dV = RT In V I = RT (In V2 - In Vi) = RT In рД •
vt 1
А так как концентрация газа обратно пропорциональна объему,
т0 У21УГ = OJC2 и А = ЯТ In (Cj/G).
Итак, если при расширении ионного газа его концентрация
изменилась от С1 до С21 то внутренняя энергия этого газа меняется
Рис. 12. Изменение энергии газа при
расширении (к выводу формулы
Нернста). Работа расширения газа
при постоянном давлении Р± равна
площади прямоугольника с вершина-
ми!, II, III, IN,T.e.A=P1(V2—V1).
Работа при переменном давлении
Р — RT/V равна площади криво-
линейной трапеции, т. е.
v2
С RT
А = \ -y-dV
vt
на величину AW = RТ In (CJCJ на каждый моль. Но, с другой
стороны, каждый моль одновалентного иона переносит заряд, равный
F — числу Фарадея. Отсюда и получаем, что RТ In = EF
RT
и окончательно E = —p- In • Таким образом, мы получили
формулу Нернста, и вы теперь понимаете, откуда в этой формуле
появилась газовая постоянная.
Нам очень хотелось, чтобы, взглянув на формулу Нернста,
вы не просто поняли ее смысл, но и увидели, какой труд за ней
стоит. Это труд ботаников, измеривших осмотическое давление;
физиков, выяснивших законы электричества, пополнивших науку
понятиями заряда и разности потенциалов, открывших законы
электролиза и газовые законы; химиков, создавших теорию раст-
воров и электролитической диссоциации; математиков, труды кото-
рых позволили Ньютону и Лейбницу создать дифференциальное
и интегральное исчисление. О некоторых из этих работ мы вам
кратко рассказали, а о многих не можем рассказать, так как они
лежат далеко в стороне от нашей основной темы. Но на этом примере
нам хотелось показать, как в одной формуле собрались воедино
труды и идеи тысяч ученых разных времен и стран.
Снова о Бернштейне
Но не следует думать, что достаточно было
только высказать общую идею, чтобы все сразу с ней
согласились: и самому Бернштейну г а затем и его после-
62
дователям потребовались годы и десятилетия напряжен-
ного труда8 споров, сомнений и разочарований, пока,
наконец,; удалось доказать свою правоту. Сама же по себе
гипотеза мембранного потенциала выглядела в то время
нисколько не лучше, чем гипотеза повреждения или даже
гипотеза электромоторных молекул. Поэтому пер-
вую статью с изложением своих взглядов Бернштейн
гА>тв
Чпд>ЪВ
Рис. 13. Опыты Бернштейна и Гебера. а — Ток идет от нагретого
участка мышцы к холодному, б — Ток идет от участка с меньшей
наружной концентрацией ионов К+ к участку с большей концент-
RT С
рацией. Это согласуется с формулой Нернста: Vm = In
чем больше Т, тем больше мембранный потенциал, чем больше С2,
тем, наоборот, меньше мембранный потенциал
выпустил в свет только тогда, когда он сумел получить
экспериментальные данные, которые могли послужить
аргументом, хотя и косвенным, в их пользу.
Найти один из таких аргументов Бернштейну помогла
все та же формула Нернста. В эту формулу кроме неиз-
вестных концентраций неизвестно какого иона входит
еще Т — температура, а уж ее-то можно было не только
измерить, но и менять по своему усмотрению.
Проведя серию опытов на мышце лягушки, Бернштейн
показал, что если нагревают продольную неповрежденную
поверхность мышцы, то в определенном диапазоне (при
не слишком высоких температурах) регистрируемый по-
тенциал повреждения, действительно, прямо пропорцио-
нален 71, как и следует из формулы Нернста. Нагревание
самого разреза, напротив, не влияло на значение по-
тенциала. Это и был аргумент против теории повреж-
дения.
Другая серия опытов была еще более эффектной..
Бернштейн показал, что если нагреть один конец целой
неповрежденной мышцы, то от нагретого к холодному
месту поверхности мышцы потечет ток (рис< 13А а). Этот
63
результат также прямо следует из теории: в более теплом
месте поверхности возникает больший положительный
потенциал, чем в холодном.
Как мы уже упоминали, в 1902 г. вышла первая статья
Бернштейна по мембранной теории. Этот год и считается
годом ее рождения.
Очень слабым местом мембранной гипотезы было пол-
ное отсутствие данных о том, какой именно ион вызывает
потенциал. Но вот в 1905 г. в Берлине молодой сотрудник
Нернста (Нернст теперь уже не скромный ассистент
Оствальда, а директор Института химии) Гебер обнаружи-
вает, что все соли, содержащие калий (например, КС1,
KNO3 и др.), оказывают сходное действие на мышцу:
участок мышцы, на который действует раствор такой
соли, приобретает отрицательный потенциал по отноше-
нию к другим участкам мышцы.
Бернштейн сразу оценивает значение работы Гебера —
ведь мембранная теория объясняет эти результаты очень
просто: стоит только предположить,, что К+ и является
тем ионом, который создает потенциал. Все соли, содер-
жащие калий, диссоциируя в растворе, увеличивают
наружную концентрацию ионов калия, при этом отно-
шение концентраций падает, и область, на которую
действуют солью, приобретает меньший, чем другие участ-
ки, потенциал (рис. 13, б).
Факты сами по себе мало о чем говорят. Герман, почти
за 40 лет до Бернштейна, наблюдая влияние температуры
на мышцу, видел, что при нагревании участка, удален-
ного от разреза, потенциал растет. Эти факты не имели
тогда истолкования и поэтому были полузабыты. Влияние
солей калия на потенциал, оказывается, тоже было опи-
сано за 10 лет до Гебера в книге Бидермана, посвященной
электробиологии, и на это тоже не обратили внимания.
Только теория придает экспериментальным фактам смысл,
позволяет отделить существенные от второстепенных, ос-
вещает их значение внутренним светом.
В 1912 г. вышла в свет большая книга Бернштейна
«Электробиология». В этой книге дано объяснение не
только потенциала покоя, но и многих других явлений,
о чем мы расскажем дальше. Но очень важно, что Берн-
штейн предсказывает гораздо более общее значение мем-
бранной теории, чем просто объяснение работы мышцы
и нерва. Ведь по мембранной теории для возникновения
ПП никаких специальных свойств от клетки не требова-
лось, и вполне естественно было предположит^ что ПП
64
присущ не только этим тканям, что все клетки могут
вырабатывать электричество. Бернштейн объясняет ра-
боту электрического органа рыб, работу желез, движения
насекомоядных растений и даже пытается объяснить
движение внутриклеточных частиц — хромосом — при де-
лении клеток клеточными потенциалами.
Эта книга заставляет вспомнить о другой книге,
книге В. Ю. Чаговца, вышедшей в 1903 г. Невольно
возникает впечатление, что Бернштейн идет прямо по
стопам Чаговца, у которого в книге мы видим те же главы:
о работе желез и кожных потенциалах, о работе электри-
ческих органов, о потенциалах в растительных клетках.
Пришло время обобщений. Накопленный за столетие
материал оказалось возможным увидеть с единой точки
зрения.
Однако и после выхода в свет книги Бернштейна
мембранная теория не вызвала особого восторга. И это
закономерно, так как несмотря на достаточно глубокую
разработку теории, проведенную Бернштейном, все экс-
периментальные ее подтверждения были косвенными:
они доказывали следствия теории, а как хорошо понимают
математики, если из А следует Б, то это не означает, что
из Б следует А. Поэтому все основные утверждения мем-
бранной теории были по существу гипотезами, и для до-
казательства ее истинности не было другого пути, как
доказать правильность (т. е. соответствие действитель-
ности) гипотез, положенных в ее основу, а именно дока-
зать, что:
а) клетки имеют мембрану, проницаемую для какого-
то иона (К+ или, может быть, некоторого другого иона),
б) концентрация этого иона (причем свободного, а не
связанного) внутри клетки сильно отличается от его
концентрации в наружной среде;
в) потенциал возникает на мембране только за счет
ее проницаемости для этого иона и потому равен нернстов-
скому потенциалу.
Пока данных, прямо подтверждающих истинность этих
фундаментальных положений мембранной теории, не было,
следствие из нее могло получить и получало в продол-
жавшемся споре другое толкование. Так, влияние тем-
пературы могло объясняться ускорением химических реак-
ций пусть не в месте повреждения, а на поверхности
мышцы; влияние калия на величину ПП также могло быть
истолковано как его химическое взаимодействие с веще-
ством клетки и т. п.
3 М. Б. Беркинблит, Е. Г. Глаголева
65
Наибольшим нападкам подвергалась основа основ тео-
рии — само существование мембраны, которую никак
не удавалось увидеть в самый сильный микроскоп. Воз-
ражения относились не только к качественной картине
явлений: были созданы теории, которые объясняли ПП
свойствами протоплазмы и предсказывали ту же линей-
ную зависимость ПП от температуры.
Таким образом, установить, какая теория верна,3
с помощью косвенных экспериментов оказалось невоз-
можным. А прямые экспериментальные доказательства
мембранной теории были получены очень нескоро: они
требовали исследований на клеточном уровне, а в то время
клетка как таковая еще не стала объектом электрофизиоло-
гического эксперимента#
Доказательства мембранной теории.
Что снаружи? Что внутри?
Из трех основных «действующих лиц» мем-
бранной теории — мембрана, наружная среда, внутрен-
няя среда — довольно хорошо была исследована лишь
наружная среда, и не только потому, что она была наибо-
лее доступной. Химическим составом среды, окружаю-
щей клетки организма, биологам уже давно пришлось
заниматься вне всякой связи с мембранной теорией. При
любых экспериментах на изолированных органах их нужно
держать в специально подобранном растворе. Например,-
сердце лягушки нельзя оставлять просто на воздухе —
оно высохнет и перестанет работать, но нельзя поместить
его и в воду — под действием осмоса клетки органа по-
гибнут.
Естественно, подбор таких растворов был связан с ис-
следованием состава крови, гемолимфы и т. д., поэтому
этот состав и был довольно хорошо известен (тем более,)
что это имело не только теоретическое, но и прямое практи-
ческое значение: например, при сильных кровопотерях,)
если нет донорской крови, пострадавшему вливают «фи-
зиологический раствор» — смесь солей, близкую к со-
ставу плазмы крови).
Поэтому важный для подтверждения мембранной теории
солевой — а значит и ионный — состав таких внеклеточ-
ных жидкостей был хорошо известен. Оказалось, что
«главный поставщик» ионов всех таких растворов — обык-
новенная поваренная соль NaCl. Предполагают, что в этом
отражается происхождение животных («море — колыбель
66
жизни»), главные ионы морской воды — тоже натрий
и хлор.
Особенно интересно и очень существенно с точки
зрения мембранной теории то, что хотя абсолютная кон-
центрация солей в тканевой жидкости разных организ-
мов в зависимости от условий их обитания сильно варьи-
рует (например, у морского моллюска аплизии эта среда
содержит 500 ммоль натрия, а у пресноводного моллюска
беззубки — только 13 ммоль), но соотношение концент-
раций ионов натрия и калия в среде, окружающей клетки
организма, примерно одинаково для всех животных ♦) —
от медузы до человека! Концентрация калия примерно
в 50 раз меньше, чем натрия. Таким образом, у всех жи-
вотных эта среда по существу представляет собой в боль-
шей или в меньшей мере разбавленную морскую воду.
Гораздо труднее было определить ионный состав внут-
риклеточного содержимого. Ученые пытались использо-
вать для определения этого состава самые разные методы,
о которых мы не будем вам подробно рассказывать (тут
и химический анализ, и изучение спектров при сжигании
клеток, и изотопные методы, и метод нейтронной актива-
ции...), но все данные, полученные этими методами, были
лишь приблизительными: клетки слишком малы, а между
ними всегда имеется межклеточное вещество и жидкость.
Кроме того, сторонникам мембранной теории надо было
не просто показать наличие калия внутри клеток, а нали-
чие именно свободных, несвязанных ионов калия. Эта
проблема была, как уже не раз случалось, решена с по-
мощью двух подходов: и разработкой новых методов из-
мерения, и подбором подходящего объекта.
В 1936 г. английский специалист по головоногим мол-
люскам Дж. Юнг обнаружил у кальмаров нервное во-
локно, диаметр которого доходил до миллиметра, т. е.
по клеточным масштабам гигантское, хотя сам моллюск
вовсе не был гигантским. Такое волокно, выделенное
из организма и помещенное в морскую воду, не погибало.
Наконец-то появилась живая клетка, в которую можно
было проникнуть, с которой можно было работать. /
В 1939 г. английские ученые А. Ходжкин и его ученик
А. Хаксли впервые измерили разность потенциалов на
мембране животной клетки (рис. 14). Удалось также дока-
*) В отличие от животных бактерии, растения и грибы не
поддерживают постоянную наружную среду. Отчасти поэтому их
клетки и покрыты жесткой оболочкой, защищающей их от разрыва
осмотическим давлением.
3* 67
зать, что внутри этого волокна действительно много ионов
калия, что эти ионы представляют собой «ионный газ»,,
т. е. могут участвовать в создании мембранного потен-
циала (МП). При этом расчетное значение ПП неплохо
совпадало с непосредственно измеренным (около 60 мВ).
Распространить эти данные с уникальной клетки —
гигантского аксона — на обычные клетки стало воз-
можным, когда в 1946 г. американские ученые Джерард
Рис. 14. Измерение потенциала покоя аксона кальмара: А — аксон
(1 — его аксоплазма, 2 — мембрана), Б — изолированный провод-
ник с оголенным кончиком (5), введенный вдоль оси аксона, В —
второй электрод, который находится в морской воде, окружающей
аксон, Г — измерительный прибор, Д — капля масла, изолирую-
щая торец аксона от морской воды
и Линг разработали новую методику — методику микро-
электродов. Микроэлектрод — это вытянутая из нагре-
той стеклянной трубочки тоненькая пипетка с диаметром
кончика менее 1 мкм (тысячной доли миллиметра), запол-
ненная раствором электролита. Стекло играет роль изо-
лятора, а электролит — проводника. Такой электрод мож-
но ввести в любую клетку, практически ее не повреждая.
Новая техника эксперимента быстро получила широ-
кое распространение в самых разных исследованиях и за
несколько лет буквально завоевала мир. Сам Джерард
в США зарегистрировал ПП мышцы лягушки, сокращение
которой наблюдал Гальвани и токи повреждения в ко-
торой изучал Дюбуа-Реймон. Дж. Экклс в Новой Зелан-
дии зарегистрировал ПП клетки мозга, Б. Катц в Англии
начал изучать с помощью новых электродов действие
нерва на мышцу; в Швейцарии С. Вайдман первым сумел
ввести хрупкий микроэлектрод в сокращающееся сердце.
В нашей стране пионером микроэлектродных исследова-
ний стал сотрудник Киевского государственного универ-
ситета Платон Григорьевич Костюкг который начал при-
68.
менять эту технику в середине 50-х годов. (Сейчас П. Г. Ко-
стюк — академик; он долгое время возглавлял Отделение
физиологии АН СССР.)
Вскоре были получены достаточно полные данные
о величине ПП для разных клеток, ПП был обнаружен
не только у мышечных и нервных клеток, но и у эритро-
цитов, клеток кожи, печени и др. Если считать, что
причиной ПП служит разность концентраций ионов
калия во внутренней и наружной средах клеток, разде-
ленных мембраной, а все клетки в этом отношении устрое-
ны в общем сходно, то наличие ПП совершенно зако-
номерно, хотя и не ясно, зачем понадобился ПП, напри-
мер, клеткам слюнной железы или печени.
О пользе бракованных микроэлсктродов
Теперь, когда достаточно точное измере-
ние ПП в отдельной клетке не представляло проблемы для
проверки мембранной теории по формуле Нернста, оста-
валось сделать последний шаг — научиться так же точно
определять ионный состав в клетке. И замечательно,
что развитие микроэлектродной техники помогло решить
и эту задачу.
Дело в том, что изготовление микроэлектродов —
это целое искусство: и стекло подобрать, чтобы хорошо
тянулось, и режим нагрева и скорость вытягивания,
чтобы кончик не обламывался и внутренний канал
не закупоривал, и т. д. и т. п. И вдруг оказалось, что
даже если в опыте использовался плохой, «бракованный»
электрод, у которого на кончике вообще не было отвер-
стия, потенциал все равно регистрировался, как будто
стекло было не изолятором, а проводником. Когда стали
в этом разбираться, оказалось, что, действительно,
тоненькие стенки микроэлектродов из некоторых сортов
стекла представляют собой — что бы вы думали? — полу-
проницаемую мембрану, т. е. избирательно пропускают
ионы какого-либо сорта.
Если такой электрод, заполненный раствором с извест-
ной концентрацией изучаемого иона, опустить в раствор,
содержащий тот же ион, то, зная значение возникшего
нернстовского потенциала, можно использовать формулу
Нернста для решения обратной задачи — определить
неизвестную концентрацию иона в исследуемом растворе.
Использование таких электродов в сочетании с мето-
дом меченых атомов и другими методами позволило
69
определить ионныи состав внутриклеточного содержи-
мого. Оказалось, что, как и предсказывала мембранная
теория, внутри клеток концентрация ионов калия
в 30—40 раз выше, чем в наружной среде. Оказалось
также, что соотношение калия и натрия внутри клеток
животных совершенно иное, чем вне их: в то время как
вне клетки много натрия, в клетках, наоборот, калия
почти в 10 раз больше, чем натрия.
Высокое содержание ионов калия было обнаружено
не только в нервных, но и в разных других клетках
организма (клетках кожи, эритроцитах и т. д.). Таким
образом, внутреннее содержимое всех клеток животных
оказалось непохожим на морскую воду. В ходе эволю-
ции эти клетки создали свою особую внутреннюю среду*
Клеточная мембрана
Итак, вопросы о ионном составе внутренней
и внешней среды, а также о величине ПП были реше-
ны; это косвенно доказывало и существование мембраны.
Увидеть мембрану удалось лишь в середине 50-х
годов нашего века. Это было сделано с помощью элек-
тронного микроскопа *), так как толщина мембраны
составляет всего 7—15 нм и в световой микроскоп ее уви-
деть нельзя. Однако еще до того, как ее непосредственно
увидели, сомнения в ее существовании практически
исчезли; многочисленные исследования, опирающиеся на
факты из разных областей (осмоса, существования на
поверхности клетки слоя с высоким сопротивлением
и др.), свидетельствовали, что мембрана существует;
более того, к этому времени было известно достаточно
много об ее устройстве и свойствах: толщине, электри-
ческом сопротивлении и т. д.
Обычно, говоря о научных предсказанниях, расска-
зывают об открытии «на кончике пера» планеты Нептун,,
или о предсказании существования атомов и молекул,j
или о предсказании Менделеевым химических элементов,,
которые заполнили оставшиеся пустыми соответствую-
щие клетки его таблицы. Но и в биологии можно найти
немало примеров таких научных предсказаний. Напри-
мер^. Гарвей, создавая теорию кровообращения, предска-
зал существование капилляров, но увидеть их смог толь-
*) Электронный микроскоп был изобретен в 1931 г, М. Кнол-
лем и Э. Руска,
70
ко М. Мальпиги после изобретения микроскопа. Точно
так же клеточная мембрана была^ Предсказана задолго
до появления электронного микроскопа.
Очень много сведений о свойствах мембраны дало
изучение проникновения разных веществ в клетку. Это
особый, весьма увлекательный и весьма запутанный
рассказ, который мы не можем тут привести. Но общий
вывод из него весьма поучителен. Дело в том, что, как
сейчас выяснено, разные вещества попадают в клетку
разными способами: одни, растворяясь в жирах мем-
браны, проникают в клетку прямо через них, другие
вещества, которые не могут проходить через жиры
(например, ионы), проникают через особые «поры»,
образованные мембранными белками, третьи — совсем
иначе, например, «заглатываясь» клеткой, в которой
образуется отшнуровывающийся и уходящий внутрь
мембранный пузырек; и это еще не все способы. Между
тем ученые стараются объяснить некоторое явление
(например, проникновение веществ в клетку) с единой
точки зрения. Для науки идеалом является, например,
теория Максвелла, которая позволила связать воедино
электрические, магнитные и оптические явления, описав
их основные свойства несколькими уравнениями. Такую
же единую теорию искали и ученые, изучавшие клеточ-
ную проницаемость. Однако, как мы теперь понимаем,
в случае клеточной проницаемости такой единой теории
просто не существовало. При наличии многих принци-
пиально различных способов проникновения веществ
в клетку для каждой теории, претендующей на полное
объяснение фактов с единой точки зрения, находился
опровергающий ее эксперимент. Мы уже сталкивались
с аналогичной ситуацией; вспомните, как Вольта пы-
тался объяснить с единой точки зрения и контактную
разность потенциалов, и работу химических элементов.
Так, естественное стремление ученого к созданию единой
теории иногда играет роль тормоза в развитии науки.
Но вернемся к мембране.
Поверхность всякого организма играет особую роль,
так как это — место соприкосновения организма и среды.
Именно на поверхности находится защитный слой (кожа,
панцирь, колючки и т. д.); на поверхности находятся
органы чувств; через поверхность организм получает
воду, пищу и кислород (пищеварительный тракт — это
часть наружной поверхности). Все эти соображения
применимы и к отдельной клетке. Через поверхностную
71
мембрану клетка получает разные вещества, через нее
же выводятся наружу продукты обмена. В мембрану
встроены особые белки-рецепторы — «органы чувств»
клетки. Но мембрана покрывает не только поверхность
клетки, внутри клетки тоже имеется множество мембран,
которые делят клетку на отсеки, окружают ее органеллы.
Особой двухслойной ядерной мембраной окружено
ядро клетки, свою мембрану имеют «энергетические
станции клетки» — митохондрии. В пузырьках из мем-
бран — лизосомах — хранятся некоторые клеточные фер-
менты и т. д.
Про мембраны теперь известно так много, что возник-
ла особая наука — мембранология; в нашей стране
выходит специальный журнал «Биологические мембраны»,
а за рубежом журнал «Биология мембран». Для подроб-
ного рассказа о мембранах нужно было бы написать от-
дельную книгу. Такие книги уже написаны *), поэтому
мы расскажем здесь о мембранах лишь то, что будет нам
совершенно необходимо для дальнейшего.
Клеточная мембрана представляет собой жидкую
пленку, образованную жироподобными веществами —
липидами. Она состоит из двух слоев липидных молекул,,
в которые встроены молекулы белка.
Нас прежде всего будут интересовать, конечно,
электрические характеристики мембраны, которые были
определены с помощью самых разных методов. Эта рабо-
та была начата еще в 1910 г. в лаборатории Нернста
и в ней принимал участие тот самый Гебер, который
открыл влияние солей калия на потенциал мышц. Изме-
рения проводились на суспензии клеток (взвеси клеток
в электролите). Основной метод измерения состоял в том,
что через суспензию пропускали ток разной частоты
и определяли ее удельное сопротивление. Была развита
теория, которая позволяла отдельно определить сопро-
тивления мембраны клетки и ее протоплазмы, так как
их отношение зависело от частоты пропускаемого тока.
Развивая это направление, Г. Фрикке в 1925 г.
показал, что мембрана ведет себя в опытах как параллель-
но соединенные сопротивление и емкость (рис. 15),
т. е., как говорят, выяснил эквивалентную схему
мембраны. Схема эта первоначально была установлена
для мембраны эритроцитов; Фрикке использовал при
*) См. например, книгу: Бергельсон Л. Д. Мембраны, молекулы,
клетки.— М.: Наука, 1982.
72
А
Рис. 15. Эквива-
лентная схема кле-
точной мембраны:
А — среда, окру-
жающая клетку,
Б — цитоплазма
составляет всего
измерениях частоты до 4,5 МГц, так что успеху его работы
способствовало развитие физических приборов— появ-
ление генераторов высокой частоты. В дальнейшем па
самых разных клетках удалось измерить сопротивление
мембраны, ее емкость, а также удельное сопротивление
протоплазмы. Г. Фрикке и Г. Кертис работали с эритро-
цитами, лейкоцитами, одноклеточной
водорослью — хлореллой, дрожжами
(1925—1934 гг.); К. Кол работал с яй-
цеклетками иглокожих, мышечными и
нервными клетками (1938—1939 гг.).
Оказалось, что удельная емкость
мембраны у всех изученных клеток
составляет примерно 1 мкФ/см2. Не
слишком сильно отличается у разных
клеток и удельное сопротивление про-
топлазмы, оно обычно близко к
100 Ом-см, т. е. примерно такое же,
как у морской воды. Напротив, удель-
ное сопротивление мембраны у разных
клеток оказалось весьма разным! Так,
например, у яйцеклеток морского ежа
удельное сопротивление мембраны
100 Ом-см2, а у водоросли нителлы — 100 000 Ом-см2 *).
Почему же у разных клеток мембрана имеет одина-
ковую удельную емкость и столь разное удельное сопро-
тивление? Дело в том, что емкость мембраны определя-
ется ее липидным слоем, который можно рассматривать
как диэлектрик, находящийся между двумя пластинами
. конденсатора.
Формула емкости плоского конденсатора:
______________________ 88о5
d ’
где 8 — диэлектрическая проницаемость вещества мем-
браны, 80 — электрическая постоянная, S — площадь
мембраны, a d — ее толщина. Поскольку и толщина,
*) Обратите внимание на необычную размерность удельного
сопротивления мембраны: Ом-см2! Обычно в этом месте в самых
разных книгах встречается опечатка: см2 стоят в знаменателе.
Дело в том, что в электрофизиологии удельным сопротивлением
мембраны называется не сопротивление 1 см3 вещества мембраны
(р в'’ формуле R — р ), а сопротивление 1 см2 мембраны, т. е.
произведение р/ в той же формуле.
73
и диэлектрическая проницаемость биомолекулярных ли-
пидных слоев самых разных клеток очень сходны, совпа-
дает и удельная емкость мембраны *).
А вот сопротивление мембраны определяется не липи-
дами, а теми молекулами белка, которые встроены в
жидкий липидный слой и плавают в нем, как айсберги,,
«прошивая» мембрану насквозь. Эти молекулы в разных
клетках отличаются и по числу, и по свойствам —
отсюда и разное удельное сопротивление. Если убрать
из липидного бислоя белок, то удельное сопротивление
такой «чистой» мембраны оказывается весьма высоким —
порядка 108 Ом-см2.
С помощью изотопных и других методов было пока-
зано, что клеточная мембрана действительно является
полупроницаемой: она хорошо пропускает положитель-
ные ионы калия, но не пропускает клеточные анионы
{крупные органические молекулы и фосфаты). Но вер-
немся к мембранной теории.
Опыты на «голой» мембране — торжество
мембранной теории
В 1961 г. А. Ходжкин и его сотрудники
Бекер и Шоу поставили очень красивый опыт. Еще
когда Юнг открыл гигантский аксон у кальмара, он
заметил, что при надавливании на такой перерезанный
аксон его содержимое выдавливается из него, как паста
из тюбика, и остается пустая «шкурка». Вот с этой обо-
лочкой, т. е. мембраной аксона, и начали работать
Ходжкин и его сотрудники. Они брали аксон, клали
его на резиновую подложку^ чтобы не повредить, и с
*) Мы уже видели, что одна и та же формула Нернста может
использоваться и для вычисления ПП, и для определения концентра-
ции калия внутри клеток в зависимости от того, какие величины
известны. Точно так же мы использовали формулу емкости конден-
сатора, чтобы объяснить совпадение удельной емкости мембран
разных клеток, а Фрикке в 1925 г. использовал ту же формулу
для определения толщины мембраны, измерив удельную емкость
и допустив, что диэлектрическая проницаемость равна 3, как и у
других жиров. На основании полученной толщины мембраны он
сщлал вывод, что она состоит из одного или двух слоев молекул/
1'нтересно, что в том же 1925 г. бимолекулярность мембран была
поюзана совершенно иначе: была измерена площадь некоторого
числа эритроцитов, затем их мембрану растворили и измерили
глощадь пятна, плавающего на растворителе,— она была вдвое
больше, чем у эритроцитов. Считая, что пятно образовано моно-
молекулярным слоем, сделали вывод, что мембрана бимолекулярна.
74
помощью резинового ролика выдавливали из него
протоплазму. Получалась пустая трубка из одной мем-
браны. Эту трубку через пипетку, вставленную в торец,
можно было заполнять разными растворами. Таким об-
разом, появилась возможность работать на мембране
нервного волокна^ меняя произвольно концентрацию
Рис. 16. Зависимость потенциа-
ла покоя перфузируемого ак-
сона от градиента концентра-
ции калия. По оси абсцисс —
внутренняя концентрация ка-
лия, по оси ординат, — мемб-
ранный потенциал. Наружная
концентрация калия (в милли-
молях) составляла 540 для
кривой I и 10 для кривой II
веществ как снаружи, так и внутри аксона. Оказалось,
что при заполнении аксона растворами, содержащими
такую же концентрацию К+, как и протоплазма (снару-
жи была морская вода), в аксоне возникал нормальный
потенциал покоя порядка 50—60 мВ («минус» — внутри
волокна) (рис. 16). При этом выяснилось, что природа
отрицательных ионов, которые вводились в волокно
вместе с калием, не слишком существенна. Если концен-
трация калия внутри волокна и в наружной среде была
одинаковой, то потенциал покоя в полном соответствии
с формулой Нернста не возникал (см. рис. 16). Если же
внутрь волокна накачивали морскую воду, а в наружную
среду — раствор с высокой концентрацией калия, то
знак потенциала покоя менялся: внутри волокна возникал
знак «плюс», а снаружи — «минус»; при этом величина
ПП соответствовала формуле Нернста. Таким образом,
введение внутрь волокна солевых растворов разного со-
става подтвердило результаты, полученные ранее при
изменении наружной концентрации ионов калия.
Эти опыты показали, во-первых, решающую роль мем-
браны в возникновении ПП — ведь протоплазма со
всеми органеллами и белковыми молекулами попросту
отсутствовала, а во-вторых, — решающую роль ионов
калия в этом процессе. Мембрана нервного волокна
работала так, как это предсказывалось мембранной
теорией Бернштейна.
75
Мембранная теория требует уточнений
Часто, когда теория достигает зрелости,
получает признание, живет, начинает расти точность
измерений и обнаруживаются отступления от теории,
требующие объяснений. Законы Кеплера утверждали,
что планеты движутся по эллипсам, но при более точных
наблюдениях обнаружилось, что орбиты не вполне
эллипсы, что существуют возмущения, которые были
объяснены как результат действия на планету силы
притяжения других планет. Именно учет возмущений
позволил открыть планету Нептун.
То же самое произошло и с мембранной теорией.
Когда методы измерения ПП и ионных концентраций
достигли достаточно высокой точности, обнаружилось,
что на самом деле измеряемый ПП всегда ниже, чем
вычисленный теоретически по формуле Нернста. Ясно,
что существовал какой-то «возмущающий» фактор, не
учтенный теорией Бернштейна.
Найти причину расхождения эксперимента и теории
помог опять-таки кальмар. Работая с гигантским аксоном,
А. Ходжкин и Б. Катц установили, что ПП, измеряе-
мый в опыте, оказывается ближе всего к теоретическому
в одном особом случае: если из наружной среды убира-
ется натрий.
Но причем здесь натрий? Если, как считал Берн-
штейн, мембрана проницаема только для калия, то натрий
вообще не должен влиять на ПП! А что если допущение
Бернштейна ошибочно? Что будет, если, посягнув на
«основу основ» мембранной теории, предположить, что
натрий тоже проходит через мембрану? Легко понять,
что тогда ионы натрия, которых снаружи клетки гораздо
больше, чем внутри, будут идти по градиенту концентра-
ции внутрь, создавая свой нернстовский потенциал,;
противоположный по знаку тому, который создается
калием, и значит, будут снижать ПП. Это равносильно
тому, что к мембране подключен не один, а два соединен-
ных навстречу друг другу источника э.д.с. Э.д.с. этих
источников определяются концентрационными градиен-
тами калия и натрия. Ходжкин и Катц проверяют свое
предположение экспериментально, меняя концентрацию
натрия во внешней среде и сравнивая значения ПП с тео-
ретическими. Оказалось, что для совпадения экспери-
ментальных данных с расчетными приходится принять,}
что сопротивление^ через которое идут ионы натрия^
76
в 25 раз больше, чем для калия. Это означает, что прони-
цаемость мембраны для ионов натрия, хотя и в 25 раз
меньше, чем для калия, но все же не равна нулю.
Вскоре предположение, что ионы натрия могут про-
ходить через мембрану гигантского аксона, было
прямо доказано в опытах с радиоактивным изотопом
натрия. В ходе этих работ ученые открыли особое вещест-
во, тетродотоксин (яд рыбы-шара), блокирующее движе-
ние натрия через мембрану. Теперь удалось показать,
что если добавить в морскую воду, окружающую гигант-
ский аксон, тетродотоксин и натрий перестает идти
через мембрану, то ПП начинает нарастать и достигает
значения, в точности равного тому, которое предсказы-
вается формулой Нернста. Тем самым роль натрия была
полностью доказана.
На первый взгляд кажется, что уточнения, внесенные
Ходжкином и Катцем в мембранную теорию Бернштейна,
несущественны. Всего-то и оказалось, что мембрана
пропускает, кроме калия, немного натрия: калий создает
потенциал одного знака, натрий — другого, в резуль-
тате получается ПП чуть ниже, чем только от калия.
Однако на самом деле ситуация меняется в корне....
На мембране устанавливается некоторый промежуточный
потенциал, который, естественно, не является равновес-
ным ни для одного из этих ионов. Поэтому и тот и другой
ион будут двигаться по градиенту концентрации: ионы
натрия — внутрь, а ионы калия — наружу, пока не
уравняются концентрации по крайней мере одного из
них.
Каким же образом клетка поддерживает внутри себя
высокую концентрацию калия и низкую концентрацию
натрия? И откуда берется необходимая для этого энер-
гия? Ведь перемещать ионы против градиента концен-
трации — все равно что перекачивать газ из сосуда с
низким давлением в сосуд с высоким.
Ответ на этот вопрос вы найдете в гл. 5.
ГЛАВА 4
КАК ВОЗНИКАЕТ НЕРВНЫЙ ИМПУЛЬС
...Невероятная эффективность математики в естественных
науках есть нечто граничащее с мистикой...
Е. Вигнер
Когда Бернштейн пришел к своей идее о
природе «животного электричества», он, конечно, поста-
рался объяснить на этой основе не только возникновение
потенциала покоя, но и второе, главное явление электро-
биологии — 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 проме-
жуток времени (тысячные доли секунды) приобретает
потенциал, отрицательный по отношению к невозбуж-
денной и неповрежденной поверхности и примерно *)
равный потенциалу повреждения.
Гипотеза «электрической дырки»
Дальше научные позиции Германа и Берн-
штейна разошлись, и объяснили это явление они по-раз-
ному. 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 (рис. 17, а).
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,,
*) Запомните это «примерно»!
78
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, опреде-
ляющий содержание контрольного эксперимента: в об-
ласти возбуждения сопротивление мембраны должно
механическая (разрез)
GZZ
«Дыркам /
электрическая
(возбуждение)
б
Рис. 17. Возникновение потенциала действия по Герману и по
Бернштейну, а — Согласно Герману, потенциал действия возникает
в месте раздражения заново за счет химических реакций, как в месте
перерезки, б — Согласно Бернштейну, в месте раздражения воз-
никает «электрическая дырка», позволяющая проявиться пред-
существующему потенциалу мембраны (Л — место разреза, Б —
место раздражения), в — Схема, показывающая, что согласно
представлениям Бернштейна ПД должен быть равен ПП
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 пер-
вая мировая война, а в 1919 г. Бернштейн умер.
Предсказание Бернштейна об изменении проницаемос-
ти мембраны при возбуждении удалось проверить только
спустя четверть века, в 1938 г. Хотя возобновившееся
после войны изучение свойств мембраны совершенст-
вовалось, технические трудности были слишком вели-
ки: ведь надо было уловить изменение сопротивления,j
которое длится всего несколько миллисекунд!
Успеха достигли американские биологи Кол и Кертис,;
которые подобно Фику, сумевшему найти для обнаруже-
ния зависимости порогового значения тока от времени
его действия «медленную» мышцу беззубки, догадались
79
подобрать подходящий объект, причем довольно неожи-
данный: вместо традиционных нерва или мышцы лягуш-
ки 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 распростра-
няется со скоростью всего несколько сантиметров в секун-
ду (по сравнению с десятками ,метров в секунду у лягуш-
ки). Оставалось найти только клетку побольше — такая,
с диаметром около полумиллиметра, нашлась у водорос-
ли нителлы.
На этом неожиданном (но, как видите, только на пер-
вый взгляд) объекте и провели свой опыт Кол и Кертис
и обнаружили, что при возбуждении сопротивление мем-
браны, 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 возникно-
вение потенциала действия представлялось как резуль-
тат «закорачивания» внешней и внутренней среды клетки,
при котором потенциал на мембране падал до нуля.
При этом потенциал действия (ПД), регистрируемый
в эксперименте как разность потенциалов между невоз-
бужденной и возбужденной областями волокна, дол-
жен быть равен потенциалу покоя (ПП), т. е. разности
потенциалов между поверхностью нерва и местом разреза
(рис. 17, в). Из того, что сопротивление возбужденной
мембраны падало не до нуля, т. е. «закорачивание»
было неполным, следовало, что ПД не равен ПП, 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
ПП 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 ОД ВА
80
мышце лягушки, и опять
Рис. 18. Реальный потенциал
действия (сплошная кривая)
отличается от предсказанного
теорией Бернштейна (штрихо-
вая кривая). Стрелка показы-
вает величину овершута
и принципиального значения таким различиям не при-
давали» 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
ПД оказался больше ПП. Но
и он измерял ПД на целой
(не поврежденной) мышце,
так что трудно было судить,
что именно измерялось. Кро-
ме того, в то время до раз-
работки мембранной теории
такие результаты ничему не
противоречили.
Но когда в 1936 г. немец-
кий ученый Шефер, исполь-
зуя гораздо более совершен-
ные приборы, вновь получил
тот же самый результат, ка-
залось бы, ученых должно
было насторожить такое
противоречие с теорией:
методы измерения были до-
статочно точны, чтобы счи-
тать полученную разницу
между ПП и ПД в 15—20мВ
существенной. Но все же и
это несоответствие склонны
были объяснять скорее недо-
статками эксперимента, чем
недостатками теории.
Тревога поднялась только в 1939 г. Одновременно
две группы исследователей в двух местах — Кол и Кер-
тис, работавшие на морской станции Океанологического
института в Вудс-Холе (США), и Ходжкин и Хаксли,-
работавшие на морской станции в Плимуте (Англия),—
измерили ПД и ПП на самом совершенном уровне тог-
дашней экспериментальной техники: они взяли гигант-
ский 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 потен-
81
циалов равна примерно 80 мВ («минус» — внутри волок-
на), а при возбуждении мембрана не разряжается, как
предполагал Бернштейн (т. е. потенциал не падает
до нуля), а перезаряжается9, «минус» оказывается сна-
ружи^ а «плюс» — внутри. При этом на мембране возни-
кает 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 (рис. 18). Вот почему экс-
перименты так упорно показывали превышение ПД над
ПП. Это превышение назвали «овершут»*).
Таким образом, вариант с «дыркой» не прошел:
возникновение ПД нельзя было объяснить закорачива-
нием 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 реше-
ния этой задачи все данные были уже известны, основ-
ные идеи высказаны — оставалось только их сопоставить
и сделать решающий вывод.
Попробуйте сами, не читая дальше, посмотреть эти
данные на с. 67, 70 и 76 и придумать механизм возник-
новения ПД, для чего фактически достаточно заполнить
многоточия в помещенной ниже схеме.
ПП ПД
(снаружи «Ч-», внутри «—») (внутри « + », снаружи «—»)
возникает из-за того, что
в покое ионов калия (К+) внутри больше, снаружи мень- ше и мембрана проницаема для ионов калия при возбуждении.. . снаружи больше, внутри меньше и мем- брана проницаема для...
Сделав это, вы получите, по существу, формулировку
так называемой натриевой гипотезы потенциала действия,,
*) «Овершут» — это русская транскрипция английского over-
shoot — «превышение».
82
авторами которой является уже знакомый нам Ходжкин
и его сотрудник Хаксли.
Суть этой гипотезы заключается в том, что при воз-
буждении мембрана не просто полностью утрачивает
избирательную проницаемость (как в варианте с «дыр-
кой»), а меняет ее: из проницаемой главным образом
для К+ мембрана становится проницаемой главным
образом для Na+. А так как натрия снаружи больше,
то он «лезет» внутрь и перезаряжает мембрану — полу-
чается 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 вспом-
нить, что овершут был обнаружен в 1939 г. Как когда-то
первая мировая война помешала Бернштейну исследо-
вать 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 превра-
щается в стройную, экспериментально доказанную и
логически безупречную натриевую теорию.
От гипотезы до теории
Первая экспериментальная проверка гипо-
тезы была предпринята А. Ходжкином и Б. Катцем в
1949 г. Исследователи решили посмотреть, как влияет
на величину ПД изменение концентраций калия и нат-
рия 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 косвен-
ное, но сильное подтверждение натриевой гипотезы:
ведь это и означает, что в возбужденной мембране калие-
вая проницаемость сменяется натриевой. Используя
более тонкий метод для сопоставления проницаемости
мембраны для калия и натрия, Ходжкин и Катц устано-
вили, что в покое мембрана примерно в 25 раз более
проницаема для калияг чем для натрия^ а при возбужде-
83
нии, наоборот, проницаемость для натрия становится
примерно в 20 раз выше, чем для калия.
Основная идея натриевой гипотезы была подтвер-
ждена 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 Na+, чем в покое. Оказалось, что и выход калия
наружу тоже не перекращается, даже наоборот, стано-
вится сильнее, чем в покое.
Итак, основная идея, введенная Ходжкином и Хак-
сли в мембранную теорию, идея о том, что проницаемость
мембраны для того или иного иона не является величиной
постоянной, а может меняться в зависимости от усло-
вий, оказалась верной.
Но одной этой общей идеи для объяснения механизма
возбуждения и всех явлений, связанных с ним (существо-
вания сорога, рефрактерности и др.), было явно недоста-
точно.
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 необ-
ходимо изменить на определенную величину мембранный
потенциал, довести его до порогового значения. Измене-
ния порога в течение рефрактерного периода зависели
от времени. Была известна зависимость «сила — дли-
тельность» и т. д. Поэтому Ходжкин и Хаксли предполо-
жили, что проницаемость мембраны определяется двумя
факторами: мембранным потенциалом и временем, про-
шедшим 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 су-
ществу, 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 мем-
брана — это сопротивление и емкость, включенные па-
раллельно.
84
Решающую роль в экспериментальных исследованиях
проницаемости клеточной мембраны сыграла разработка
Ходжкином и Хаксли так называемого метода фиксации
потенциала. Вот где пригодился Ходжкину опыт, при-
обретенный во время войны в работе с радарными уста-
новками! Ходжкин сконструировал специальный прибор,
который с помощью электронных схем улавливал малей-
шие изменения мембранного потенциала и очень быстро
подавал на мембрану ток, компенсирующий эти изменения.
С помощью такой управляющей схемы с обратной связью
на мембране поддерживался постоянный потенциал^
причем в течение любого нужного времени.
Теперь, можно сказать, руки были развязаны: во-пер-
вых, раз потенциал на мембране не меняется, ток через
емкость не идет; во-вторых, зафиксировав потенциал,
можно было проверить, действительно ли, как предпо-
лагалось, проницаемость меняется со временем уже сама
по себе, независимо от потенциала.
Опыт ставился так. На мембране за очень короткое
время (несколько сотен микросекунд) устанавливали необ-
ходимую разность потенциалов и поддерживали ее на
заданном уровне достаточно долго (несколько милли-
секунд), регистрируя ток, пропускаемый через мембрану.
При этом сила тока была пропорциональна проводи-
мости *) мембраны в данный момент времени.
Чтобы разделить калиевую и натриевую проницае-
мости, использовали в качестве окружающей волокно
среды раствор, содержащий только исследуемый ион,
или специальные вещества, которые препятствовали
прохождению другого иона через мембрану.
Проведя на своей установке обширную серию экспе-
риментов, Ходжкин и Хаксли получили эмпирические
♦) В опытах с фиксацией потенциала можно было измерить
только проводимость мембраны, мы же до сих пор рассуждали о ее
проницаемости для того или иного иона. Проводимость и проницае-
мость ~ два разных понятия. Проницаемость — характеристика
мембранных свойств, проводимость — электрический параметр.
Различие между этими понятиями хорошо видно из такого примера.
Если из среды совсем убрать ионы калия, то проницаемость мем-
браны для калия не изменится (она не зависит от содержания этих
ионов в среде), но калиевая проводимость станет равной нулю,
так как при любой разности потенциалов калиевый ток будет
равным нулю. Однако при нормальных концентрациях ионов про-
ницаемость мембраны и ее проводимость меняются одинаково и
поэтому опьГты с фиксацией потенциала позволяют определить
и изменения проницаемости мембраны для калия и натрия.
85
графики зависимостей изменения проницаемости от сдви-
га потенциала и времени, точнее, «срезы» этих функций
для различных значений потенциала. Было показано,
что каждый сдвиг МП от положения равновесия, т. е.
от ПП, равного 80 мВ, действительно вызывает изменение
проницаемости мембраны и для калия, и для натрия.
Результат одного из таких опытов по изучению калие-
вой проницаемости показан на рис. 19. Здесь по оси
Рис. 19. Опыт, иллюстрирую-
щий зависимость калиевого то-
ка от времени. Потенциал на
мембране сдвинут на 50 мВ .
от потенциала покоя
ординат отложен ток, про-
ходящий через единицу по-
верхности мембраны, а по оси
абсцисс — время, начиная с
момента установления потен-
циала на заданном уровне.
Видно, что ток постепен-
но нарастает, а это значит,
что сопротивление мембраны
снижается: при постоянном
МП по закону Ома произве-
дение тока на сопротивление
постоянно. Но снижение со-
* противления означает рост
проводимости мембраны для ионов калия. Этот резуль-
тат показывает, что калиевая проницаемость действитель-
но зависит не только от МП, но и от времени.
Теперь мы попросим уважаемого читателя вниматель-
но разобраться в полученных в результате таких экспе-
риментов графиках, изображенных на рис. 20, а, б. На
первом изображена зависимость изменения калиевой
проводимости от сдвига потенциала и времени, на вто-
ром — натриевой. Если мембранный потенциал равен
примерно —80 мВ, т. е. потенциалу покоя, то и калие-
вая, и натриевая проводимости не меняются, причем
первая примерно в 25 раз больше, чем вторая, и равна
примерно 1 мС/см2 *). Поэтому в нашем масштабе исход-
ная проницаемость для калия (а тем более для натрия)
почти не видна. При сдвиге мембранного потенциала,,
например, от —80 до —42 мВ (вторая снизу кривая
на рис. 20, а), т. е. при деполяризации мембраны на
38 мВ, калиевая проводимость увеличивается, причем
сначала очень медленно: первую миллисекунду почти
не меняется, потом примерно за 5—8 мс постепенно уве-
♦) Сименс (С) — единица проводимости. Проводимостью в
1 С обладает проводник сопротивлением в 1 Ом.
86
личивается и через некоторое время устанавливается
на новом постоянном уровне. На кривых рис. 20, а
видно, что этот новый уровень тем выше, чем больше сдвиг
потенциала на мембране, однако он не превосходит
некоторого определенного значения.
Проницаемость для натрия, напротив, увеличивается
очень быстро (меньше чем за 1 мс), но затем быстро падает
до некоторого нового уровня; этот новый уровень тем
Рис. 20. Зависимость калиевой (а) и натриевой (б) проводимостей
клеточной мембраны от времени и от величины деполяризации.
По оси абсцисс— время в мс, по оси ординат — проводимость
мембраны в мС/см2. Цифры около кривых показывают сдвиг МП от
ПП по направлению к нулю или еще дальше в сторону положитель-
ных потенциалов. Точки показывают значения, полученные в экс-
перименте, а кривые — результат решения уравнений Ходжкина-
Хаксли (см. ниже)
меньше, чем сильнее деполяризация: при деполяризации
порядка 30 мВ и выше он становится практически равным
нулю. Как видно из рис. 20, б, максимум, достигаемый
натриевой проводимостью, и скорость ее нарастания
также зависят от величины сдвига МП: чем больше
деполяризация, тем больше максимум и, как в случае
калия2 имеется предельный уровень.
87
Уже эти данные, описанные нами в таком чисто
качественном виде, позволяют в общих чертах объяснить
механизм возбуждения — возникновения ПД.
Потенциал действия возникает, когда в результате
какого-то воздействия мембрана нервного или мышечно-
го волокна деполяризуется до некоторого уровня, на-
пример до потенциала —50мВ. От этого сразу же возрас-
тает проницаемость мембраны для натрия. Ионы натрия
начинают входить внутрь волокна по градиенту концент-
рации. Это вызывает дальнейшую деполяризацию мем-
браны. От этого еще больше повышается натриевая
проницаемость и т. д. Возникает лавинообразный про-
цесс, в результате которого мембрана перезаряжается.
Эти процессы длятся доли миллисекунды и обусловли-
вают резкий подъем ПД. Затем натриевая проницаемость
начинает уменьшаться и, кроме того, становится замет-
ным повышение калиевой проницаемости; в результате
поток ионов калия, идущих наружу, становится больше,
чем направленный внутрь поток ионов натрия, и МП
возвращается к исходному уровню.
Однако такое объяснение ПД не только слишком
общее и схематичное, но, главное, в некотором смысле
оно недостаточно законно. Хотя фиксация потенци-
ала — это вещь великолепная, но именно в ней скры-
вается подвох: ведь на самом деле при возбуждении ре-
ального нерва проницаемость никогда не меняется так,3
как показано на рис. 20, потому что при возбуждении
потенциал никогда не остается постоянным, никогда
не «фиксируется», так что при описании реального про-
цесса на самом деле нельзя следить за одной кривой,;
а надо мысленно «перескакивать» с одной кривой на дру-
гую.
Кроме того, на самом деле проницаемость (и калие-
вая, и натриевая) является функцией не двух перемен-
ных ~ потенциала и времени, а трех: потенциала,
времени и начальных условий, например начального
значения потенциала, определяющего состояние мем-
браны в момент раздражения. Приведенный на рис. 20
набор кривых описывает только случай, когда начальное
значение МП было равно ПП, т. е. —80 мВ. Если же
исходно, в момент раздражения, потенциал на мембране
установлен на другом уровне, то и начальные значения
калиевой и натриевой проницаемости, и их изменения
будут совсем другими.
Именно поэтому, если бы мы хотели, например^
88
решить графически задачу расчета изменения пропи-
щи'мости при переменном, а не при фиксированном потен-
циале, то нам пришлось бы перескакивать не только
с одной кривой на другуюА но и с одного семейства гра-
фиков на другое.
Модель Ходжкина — Хаксли
Как ни наглядны графики, но по ним не
всегда можно находить с достаточной точностью требуемые
величины, поэтому при многократном применении гра-
фиков может накопиться большая ошибка; в этом отно-
шении, как вы знаете, гораздо удобнее использовать
формулы или уравнения. Поэтому Ходжкин и Хаксли
постарались описать полученную ими эксперименталь-
ную картину математически.
Вы, вероятно, знаете, что кроме методов построения
графиков функций по их формулам существуют и методы
решения обратной задачи — по графику найти аналити-
ческое выражение для функции, изображаемой этим
графиком. Дело облегчается, если известен вид функ-
ции; например, известно, что это линейная зависимость.
Одни кривые удобно приближать многочленом, другие —
тригонометрическими функциями. Удачный подбор при-
ближающих функций иногда помогает выяснить существо
изучаемого явления. Например, представив запись ви-
брации станка в виде суммы синусоидальных кривых
(для решения этой задачи есть специальный прибор —
гармонический анализатор), можно выяснить основные
причины вибрации.
Ходжкину и Хаксли удалось описать изменение
калиевой проницаемости при сдвиге потенциала на мем-
бране с помощью дифференциального уравнения,. Непре-
рывные кривые на рис. 20 — решения этого уравнения,
а кружочки — результаты экспериментов с фиксацией
потенциала, Ясно, что кривая изменения натриевой
проницаемости имеет гораздо более сложную форму
и должна быть описана иначе. Однако Ходжкин и Хаксли
попытались описать и эти графики с помощью уравнений
того же вида, который оказался удачным в случае кали-
евой проницаемости. Для этого они представили изме-
нение натриевой проницаемости как произведение двух
функций: одной возрастающей (как у калия) — ее на-
звали натриевой активацией, другой убывающей — ее
назвали натриевой инактивацией. Эти функции удалось
89
описать точно такими же уравнениями, как калиевую
проницаемость.
Чтобы понять, как Ходжкин и Хаксли «построили»
свою математическую модель процесса возбуждения,
разберемся еще чуть подробнее, что же происходит в
мембране. Для этого нам придется вернуться к ее электри-
Рис. 21. Эквивалентная схема мембраны гигантского аксона каль-
мара (а — аксоплазма, в — морская вода, омывающая аксон).
Ее поведение описывается системой уравнений Ходжкина — Хакс-
ли (см. ниже)
ческой схеме, но теперь мы можем внести в нее изменения
в соответствии с натриевой теорией возбуждения.
Напомним, что мембрана с электрической точки
зрения представляет собой параллельно включенные
емкость С (конденсатор) и два элемента-источника тока
(калиевый и натриевый), имеющие противонаправлен-
ные э.д.с. и внутренние сопротивления 7?к и /?Na- Эти
сопротивления являются переменными и определяются
калиевой gK и натриевой gNa проводимостями (рис. 21) *.)
Рассмотрим вначале калиевый ток. Ионы калия
идут через мембрану всегда, причем в обе стороны.
Когда потенциал на мембране (V) равен нернстовскому
потенциалу, который иначе называют потенциалом рав-
новесия для калия (VK), то сохраняется динамическое
равновесие, т. е. калиевый ток (/к) равен нулю. Если же
мембранный потенциал отклоняется от равновесного,]
то возникает калиевый ток, силу которого можно опре-
делить по закону Ома: I = V/R. Заменив 1/R на ка-
лиевую проводимость gK, а V — на величину отклонения
*) Для полноты картины на схеме имеется еще одно сопротив-
ление (7?), так как мембрана пропускает и другие ионы (С1~, Н+
и т. д.). Но мембрана аксона кальмара пропускает их мало, и это
сопротивление можно не учитывать,
МП от равновесного, т. е. (У — 7К)> получаем
/к = ^к(Т7-Ук). (4.1)
Аналогичной формулой определяется и сила натрие-
вого тока:
Лта =g'Na (У — Уыа)- (4.2)
Здесь Рка — равновесный натриевый потенциал, т. е.
нернстовский потенциал для натрия, который равен
примерно +40 мВ (он примерно равен овершуту).
Как видно, силы токов зависят от МП довольно слож-
ным образом: V стоит в скобках и, кроме того, входит
как аргумент в коэффициенты gK и gNa-
Теперь наступает очень важный этап: необходимо
замкнуть кольцо обратной связи, учесть, как меняется
сам МП в зависимости от изменений проницаемости.
И тут выступает на авансцену действующее лицо, пока
скромно стоявшее за кулисами, т. е. сбоку нашей схемы,—
емкость.
По известной формуле q = VC заряд на конденса-
торе равен разности потенциалов на его пластинах,
умноженной на его емкость. Продифференцировав это
равенство, мы получим
dq __dV
-dt~==b~dr ’
Но dq/dt (скорость изменения заряда) — это и есть
сила тока, поступающего на конденсатор. В нашем слу-
чае это сумма (конечно, с учетом знаков) натриевого,
калиевого токов и тока, подающегося на мембрану извне.
Таким образом,
с~ = Ik + /Na +Z(i)- (4-3)
В итоге мы получаем уравнение, определяющее, как
меняется мембранный потенциал при изменении про-
водимостей мембраны и внешнего воздействия:
с -%- = gK (V - VK) + gNa (7 - rNa) + I (t).
Полная система уравнений, описывающая все много-
образие взаимосвязанных изменений во времени электри-
ческих характеристик возбудимой мембраны, такова:
91
C-^ = gK(V- 7K) + gNa (y - VNa) + I (t),
£>K = max’
^Na S’Na max ’ m?ht
-^- = an(i —n) —pn-ra,
dm . о
— = am(l —
jg- = ah(l_/0_pft./z,
a ___ °’Q1 ~~ 1Q) g ______0 125e~v/8°
an . (io-v)/io ’ ‘Jn u’ 1
1 — e
_ 0,1(7 — 25)
arn (25-V)/10 ’
1 — e
pm = 4,-m,
y/20> Pn (3o-V)/io *
1 + e
Эта система уравнений и называется моделью Ходж-
кина — Хаксли, или, сокращенно, моделью X — Х<
Вот теперь и стало возможным объяснить возникно-
вение ПД не «на пальцах», как это сделано на с. 88,
а строго математически. И хотя эту систему оказалось
невозможным решить в явном виде, т. е., например,
найти зависимость потенциала от времени в виде V =
= V (£), в математике существовали методы, которые поз-
воляли вычислять значения этих функций для любых
конкретных условий *), находя последовательно значе-
ния, которые принимает V с течением времени.
Сделать эту работу в 1952 г. было очень трудно
(ЭВМ еще не было), и тем не менее Хаксли вручную
рассчитал, как меняется мембранный потенциал со вре-
менем, если за начальные принять условия, при которых
возникает возбуждение. Результаты этого расчета —
график функции V = V (t) приведен на рис. 22. Как
видите, он почти в точности повторяет форму ПД, най-
денную экспериментальным путем для тех же условий.
Это была победа. Можно себе представить, как радо-
вались Ходжкин и Хаксли, получив этот результат.
Их модель работала! Меняя начальные условия, зада-
вая по-разному внешние воздействия (член I (t) в урав-
*) Это похоже на то, что хотя, как вы, может быть, знаете,
не существует общей формулы решения уравнения степени выше
четвертой, но для любого конкретного уравнения можно с любой
точностью вычислить его корни.
92
нении (4.3) ), Ходжкин и Хаксли стали имитировать
на своей модели разнообразные эксперименты с возбу-
димым волокном. Например, если внешнего воздействия
нет, то I (t) = 0; если на мембрану подается равномерно
Рис. 22. Потенциал действия (теория и эксперимент): а — ПД,
полученный по уравнениям X — X; б — ПД, полученный в экс-
перименте на аксоне кальмара; в — теоретический расчет формы
ПД (7), а также изменений натриевой UNa) и калиевой (gK) про-
водимостей во время ПД
нарастающий ток, то I (t) — kt; если идет опыт с фик-
сацией потенциала, то I (t) такой, что dVIdt = 0,
т. е. I (t) = — (/к + /Na), и т. п.
Такие имитационные эксперименты стали чрезвы-
чайно распространенными за последние четверть века,
начиная с 1959 г., когда Хаксли и независимо от него
Кол с сотрудниками использовали для вычислений ЭВМ,
и вместо крайне трудоемких вычислений достаточно
было написать не слишком сложную программу. Это был
один из первых случаев содержательного использо-
вания ЭВМ в биологии.
Оказалось, что модель X — X исправно воспроиз-
водила такие явления, как рефрактерность, порог воз-
буждения, гиперполяризацию волокна после импульса
и др. Это было действительно похоже на чудо: не-
сколько строчек математических значков вместили в себя
результаты колоссального числа экспериментальных
исследований: многостраничные тома Дюбуа-Реймона,
всех его последователей и противников. Тем самым было
подтверждено, что в основе механизма всех явлений,
связанных с возбуждением, действительно лежит свойство
мембраны: ее переменная и избирательная проницаемость
для ионов калия и натрия.
93
Сколько сведений помещается
в четыре уравнения
Математическая модель создала твердую
основу: стало возможным предвидеть изменения потен-
циала, а в случае сомнения проверять свои соображе-
ния на модели. Кончилось то время, когда нужно было
запоминать массу сведений по электробиологии.
А какое облегчение получили студенты! Теперь, чтобы
ответить на вопрос экзаменатора, почему существует
рефрактерность, как возбуждение зависит от скорости
нарастания тока и т. д., нужно было запомнить только
характер связи изменений проницаемости и МП. Те же,;
кто не боится формул, могли даже решать задачи.
Давайте и мы попробуем ответить на вопросы «по-
чему?».
Еще раз о потенциале покоя. Вопрос. Чем опреде-
ляется потенциал покоя?
Ответ. Калиевый и натриевый токи всегда направ-
лены так, чтобы вернуть потенциал к соответствующему
равновесному значению: калий «тянет» к —80 мВ,
а натрий — к + 40 мВ. Поэтому для значений МП
в интервале от —80 до +40 мВ эти токи всегда направ-
лены противоположно. Значение МП, при котором
калиевый и натриевый токи уравновешивают друг
друга,— это и есть ПП.
Задача. Известно, что в покое проводимость
для калия (g&) примерно в 23 раза больше, чем для нат-
рия (gNa). Чему равен ПП?
Решение. Сила калиевого тока /к равна
£к (И —(—80)), сила натриевого тока — соответственно
/Na = gNa (V — 40). При V = Упокоя их сумма (алгебраи-
ческая, конечно) равна нулю, т. е. 23gNa (V + 80) +
+ gNa (V — 40) = 0, откуда V = —75 (мВ).
Дополнительный вопрос (устный, на
«пятерку»). Чему был бы равен ПП, если бы проводи-
мость мембраны для К и Na была бы одинакова?
Потенциал действия. Вопрос. Почему возникает
потенциал действия, т. е. в отсутствие внешнего воз-
действия, после конца раздражения (когда I (/) = 0)
потенциал уходит от положения равновесия (т. е. ПП)?
Ответ. Деполяризация мембраны вызывает рост
и калиевой, и натриевой проницаемости, причем натрие-
вая проницаемость увеличивается гораздо сильнее калие-
вой (хотя и на очень короткое времяД так что отношение
94
проницаемостей меняется «в пользу натрия». В результа-
те натриевый ток, усиливающий деполяризацию, может
стать больше калиевого, что и приведет к «лавинному»
возрастанию деполяризации, т. е. к возникновению ПД.
Задача, а)1 При каком отношении проницаемостей
при деполяризации на 5 мВ возникает ПД, если ПП ==
= —75 мВ? б) Если МП равен —50 мВ, то проницаемость
для калия в 3 раза больше, чем для натрия. Возникает
ли ПД?
Решение, а) Пусть gK/gNa = х, т. е. gK = rrgNa.
Для возникновения ПД нужно, чтобы | ZK | < | Тыа
т. е. | ^gNa (—70 + 80) | < | gNa (—70 — 40) |, откуда
х 11. Таким образом, натриевая проницаемость должна
стать не в 23 раза, а только в 11 раз меньше калиевой,
т. е. возрасти больше чем вдвое.
б) Сила калиевого тока будет равна gK (—50 + 80) =
= 30 gK, а сила натриевого тока gNa (—50 — 40) =
— —90 gNa. Если gK — 3gNa, то калиевый ток будет ра-
вен натриевому и это будет состояние неустойчивого рав-
новесия. Если МП чуть превысит это значение, то нат-
риевый ток превысит калиевый, потенциал начнет еще
повышаться, ток еще усилится — до тех пор пока инактива-
ция не потянет натриевую проницаемость вниз (или раз-
ность V — Ума не станет очень малой) и возросший к тому
времени калиевый ток не начнет возвращать потенциал
к ПП. Если же МП будет ниже, чем —50 мВ, то калиевый
ток окажется больше и восстановление равновесия нач-
нется сразу же после конца раздражения, только сначала
пойдет медленно, а потом, когда разовьется инактивация,
быстрее.
Итак, существуют два состояния, при котором калие-
вый и натриевый токи равны друг другу: состояние устой-
чивого равновесия, когда МП = ПП, и состояние неус-
тойчивого равновесия, когда МП равен пороговому зна-
чению *). Хотя и калиевый, и натриевый ток непрерывно
меняются при изменении потенциала, есть особое значение
*) Модель X — X показала, что при очень коротких стимулах
существенно изменить именно МП на определенную величину;
при более длительных стимулах вступает в силу явление инактива-
ции. Фактически такой вывод для коротких стимулов можно было
сделать уже из вида кривой «сила — длительность» (см. с. 40).
При малых t константой b можно пренебречь и тогда условие раз-
дражения сводится к It = «, но It — это заряд', который и создает
на емкости мембраны определенный сдвиг потенциала. Одним из
первых это заключение сделал В. Ю. Чаговец.
95
потенциала, когда начинается лавинообразный рост по-
тенциала из-за положительной связи натриевой прони-
цаемости и МП. Ситуация тут такая же, как при нагрева-
нии горючего материала, когда существует температура
воспламенения: нагрел чуть ниже этой температуры и пе-
рестал нагревать — температура вернулась к комнатной,
нагрел чуть выше — началась цепная реакция.
В опрос. Почему существует порог возбуждения,
т. е. почему ПД возникает не при всяком раздражении,
а только тогда, когда его сила превышает определенную
величину?
Ответ ясен из результата предыдущей задачи: все за-
висит от соотношения проницаемостей при данном уровне
деполяризации.
Задача. При деполяризации на 5 мВ и ПП =
== —75 мВ натриевая проницаемость в 1,5 раза выше ка-
лиевой. Будет пороговое значение выше или ниже, чем
—70 мВ?
Ответ ясен также из предыдущей задачи: так как ПД
при таких условиях не возникает, то пороговое значение
не достигнуто, т. е. порог выше, чем —70 мВ.
Аккомодация. Если действовать на нервное волокно
током постепенно нарастающей силы, то такое воздействие
приводит к возникновению импульса в волокне лишь в том
случае, если скорость нарастания тока превышает некото-
рую определенную величину; при слишком медленном
нарастании тока волокно не возбуждается — это явление
и называют аккомодацией. Модель X — X объясняет яв-
ление аккомодации тем, что при медленном нарастании
тока успевает развиться натриевая инактивация и успе-
вает вырасти проницаемость для калия, в силу чего нат-
риевый ток не может превысить калиевый, и импульс не
возникает. Минимальную скорость нарастания тока, при
которой еще возможно возникновение импульса, можно
определить с помощью решения уравнений X — X. Та-
кие расчеты дали полное совпадение с экспериментальны-
ми данными.
Рефрактерный период. Вопрос. Почему нервное
волокно после возбуждения в течение некоторого времени
(«абсолютного рефрактерного периода») нельзя возбу-
дить?
Ответ. Через короткое время после возбуждения
еще не прошла натриевая инактивация (процесс относи-
тельно медленный), натриевая проницательность близка
к нулю и нечувствительна к сдвигам потенциала. В то же
96
время калиевая проницаемость мембраны выше, чем в со-
стоянии покоя. В этих условиях любая деполяризация
создает более сильный калиевый ток, чем натриевый,
а это значит, что порог возбуждения недостижим («беско-
нечный порог»), т. е. волокно невозбудимо. Через некото-
рое время после возбуждения инактивация ослабевает,
хотя и не до исходного уровня; калиевая проницаемость
тоже уменьшается. В это время волокно уже можно воз-
будить, но для этого требуется более сильная деполяриза-
ция, чем в покое (это явление называют «относительной
рефрактерностью»).
«Размыкательный ответ». Как мы уже говорили,
Пфлюгер показал, что при выключении раздражающего
тока в нервном волокне может возникать импульс под
анодом (т. е. там, где мембрана не деполяризуется, а,
напротив, гиперполяризуется). Как можно объяснить это
явление?
При гиперполяризации мембраны, например на 30 мВ,
происходит следующее: с одной стороны, инактивация
полностью исчезает — теперь при деполяризации натрие-
вая проницаемость будет повышаться; с другой стороны,
калиевая проницаемость падает. Поэтому, когда ток вы-
ключают и МП возвращается к ПП, калиевый ток очепт,
мал, а натриевый довольно велик. В результате тот уро-
вень потенциала, который был раньше устойчивым ПП,
теперь становится пороговым потенциалом, и волокно воз-
буждается.
Уже на этих примерах видно, что модель X — X внес-
ла систему в пеструю картину явлений, связанных с раз-
дражающим действием тока на нервы и мышцы. А ведь мы
не имеем возможности использовать здесь модель в пол-
ную силу, т. е. показать, что с ее помощью можно точ-
но вычислить, например, длительность рефрактерного
периода.
Модель правильно предсказывает форму второго им-
пульса, который вызван в период относительной рефрак-
терности в разное время после первого (этот импульс
будет иметь меньшую амплитуду, чем первый, и более мед-
ленное нарастание). Она позволила правильно предска-
зать изменение сопротивления мембраны в разные момен-
ты развития ПД и т. д.
Таким образом, модель X — X позволяет в ряде слу-
чаев вместо сложных реальных экспериментов с громозд-
кой аппаратурой и чувствительными приборами провести
расчет на ЭВМ и получить нужные результаты»
4 М. Б. Беркинблит, Е. Г. Глаголева 97
Таким образом, современная мембранная теория (мо-
дель X — X) достаточно хорошо воспроизводит, притом
количественно, основные особенности процесса возбуж-
дения. Эта теория позволила описать и объяснить доста-
точно широкий круг явлений *), прежде воспринимавших-
ся как не связанные между собой. В этом отношении мем-
бранная теория аналогична таким физическим теориям,
как теория электромагнетизма Максвелла, которая дала
единое описание разнообразных электрических и магнит-
ных явлений.
Заметьте, как изменилось содержание понятия «мо-
дель». Помните, мы рассказывали, что Дюбуа-Реймон то-
же построил модель мышцы для объяснения потенциала
повреждения на основе работы электромоторных молекул.
Он паял модель из крохотных гальванических элементов,,
и в ней на самом деле циркулировали реальные токи. Мо-
дель же X — X существует как система уравнений или
программа для ЭВМ.
Уравнения X — X были получены для аксона кальма-
ра. В дальнейшем аналогичные уравнения были найдены
для миелинизированного волокна (уравнения Доджа —
Франкенхаузера, 1959 г.), для волокон сердечной мышцы
(уравнения Нобла, 1962 г.) и др. Эти уравнения отлича-
лись параметрами и некоторыми деталями (например,,
кроме калиевого и натриевого в них приходилось учиты-
вать кальциевые или хлорные токи), но при этом основные
идеи мембранной теории оставались неизменными.
Что же дальше?
Итак, модель X — X позволяет не только
качественно объяснить особенности процесса возбужде-
ния, но и получить количественные характеристики этих
явлений без проведения эксперимента.
Так что же — получается, что науке все известно о воз-
буждении и можно закончить его изучение? Конечно, нет.
На самом деле в науке всякое новое знание сейчас же ста-
вит и новые вопросы.
Действительно, современная мембранная теория (мо-
дель X — X) объяснила механизм возникновения ПД из-
*) Замечательно, что при создании этой модели такие свойства
волокна, как рефрактерность, аккомодация, наличие порога и др.,
не вводились в качестве исходных предпосылок; модель была соз-
дана на основании ограниченного числа данных, полученных в эк-
сперименте с фиксацией потенциала.
98
менениями проницаемости клеточной мембраны. Но в не-
котором смысле это объяснение есть объяснение одного
неизвестного через другое неизвестное, так как сейчас же
возникает вопрос: каков механизм изменения проницае-
мости мембраны, как устроена эта тончайшая перегород-
ка, которая ухитряется различать ионы и то пропускать
их через себя беспрепятственно, то «процеживать», как
через сито, а то и вовсе «захлопывать дверь»?
Для ответа на эти вопросы надо было подняться на еще
более высокий уровень (или, если хотите, опуститься на
более низкий), рассматривать уже не свойства клеточной
структуры — мембраны, а свойства молекул, из которых
состоит сама мембрана. Поэтому разгадка механизма из-
менения проницаемости началась совсем недавно, когда
появилась новая наука — молекулярная биология.
4*
ГЛАВА 5
ОТ КЛЕТОК К МОЛЕКУЛАМ
И. П. Павлов назвал «клеточную физиологию»«...той физио-
логией, которая должна сменить нашу современную органную
физиологию и которую можно считать предвестницей послед-
ней ступени в науке о жизни — физиологии живой молекулы»
(из статьи «Памяти Р. Гейденгайна»)
Мы рассказали вам, как сложен был для
биологов переход от работы на целых мышцах и нервах
к работе на отдельной клетке. В последние десятилетия
биология сделала следующий шаг и перешла от клеточно-
го к молекулярному уровню *). Электробиология в наши
дни тоже перешла к изучению роли отдельных молекул
в создании биопотенциалов. В этой книге мы уделили
главное внимание основам электробиологии, тому, что
ученые узнали, изучая клетки. Для рассказа о молеку-
лярной электробиологии потребовалась бы другая кни-
га. Но совсем промолчать о молекулярной электробио-
логии сегодня просто нельзя, и мы чуть-чуть рас-
скажем о ней в этой главе, которая является дополнени-
ем к гл. 3 и 4.
Работа ионных насосов
Когда мышца сокращается, то на это тра-
тится энергия. Это ясно. Одним из показателей затраты
энергии является потребление кислорода. Но оказывается,
что кислород потребляется и покоящейся мышцей или нер-
вом. В 1932 г. М. Березина, работавшая в лаборатории
английского биофизика А. Хилла, показала, например,,
что нерв краба в покое потребляет 50% того количества
кислорода, которое требуется ему при усиленной работе.
В связи с этими данными Хилл писал: «Таким образом,;
ничего не делая, а просто находясь в состоянии готовнос-
ти к ответу, нерв потребляет около половины той энергии,,
которую он использует при максимальном ответе». Сей-
час достоверно известно, что эта энергия в основном рас-
ходуется га поддержание ионных концентраций, а следо-
вательно, и на поддержание потенциала покоя.
♦) См., например, книгу: Франк-Каменецкий М. Д. Самая
главная молекула.— 2-е изд— М,: Наука, 1988— Библиотечка
«Квант», вып. 25.J
100
Напомним, что ПП в основном создается за счет раз-
ности концентраций калия внутри клетки, где его много,
и вне клетки, где его мало. Но мембрана проницаема
хотя и в небольшой степени, также и для ионов натрия.
Ионы натрия должны проникать внутрь клетки по гра-
диенту потенциала, а наружу вместо них должны выхо-
дить ионы калия. За счет этого процесса ПП должен пос-
тепенно снижаться. Однако в живых организмах этого
не происходит. Существует какой-то механизм, который
все время поддерживает ПП, а значит и разность концент-
раций калия внутри и вне клетки. Этот механизм должен
перемещать ионы калия внутрь клетки, т. е. туда, где их
концентрация выше, чем снаружи, а такие перемещения
против градиента концентрации требуют затраты
энергии.
Косвенные данные, показывающие, что энергия по-
коящегося нерва затрачивается на поддержание ПП, бы-
ли получены еще в 30-годы, когда Р. Джерард (придумав-
щий впоследствии микроэлектроды) показал, что величи-
на ПП в нервном волокне прямо зависит от содержания
кислорода в омывающей волокно среде.
Изучение механизма поддержания ионной концентра-
ции является одной из важных задач биоэнергетики —
раздела молекулярной биологии. Биоэнергетика, которая
изучает, откуда живая клетка получает энергию и на что
ее тратит, оказалась теснейшим образом связанной
с электробиологией (см. гл. 11). Каковы же молекулярные
механизмы поддержания ионных концентраций?
Мы уже говорили, что в наружную клеточную мембра-
ну встроены разного рода белковые молекулы. Оказыва-
ется, некоторые из этих молекул играют роль своеобраз-
ных насосов, «закачивая» ионы калия внутрь клетки
и выкачивая ионы натрия наружу. Они так и называют-
ся — «ионные насосы». Эти белки, очень сложно устроен-
ные, представляют собой настоящую молекулярную ма-
шину, умеющую делать удивительные вещи. Например,
показано, что она имеет два активных центра, одним из
которых может захватывать ион калия, а другим — нат-
рия. Найдено также и «топливо», на котором работает эта
машина. Это особое химическое соединение — аденозин-
трифосфорная кислота (АТФ). Известен также «коэффи-
циент полезного действия» этого топлива: опыты с радио-
активными изотопами показали, что энергии распада од-
ной молекулы АТФ достаточно для выкачивания наружу
трех ионов натрия и закачивания внутрь клетки двух
101
ионов калия. Как работает эта молекулярная машина^
точно не известно, но можно представить себе, например,;
такую схему (рис. 23). Захватив одним активным цент-
ром из наружной среды ион калия, а другим — из внут-
ренней — ион натрия, она, потребляя АТФ, поворачи-
вается внутри мембраны на 180°. Ион натрия оказывает-
ся вне клетки и там отделяется, а ион калия попадает
внутрь и тоже освобождается, после чего молекула белка
Рис. 23. Схема работы натрий-калиевого насоса: а — активные
центры захватили ион калия снаружи и ион натрия внутри клетки;
б — белковая молекула, захватившая ионы, повернулась на 180°
за счет энергии АТФ и освободила захваченные ионы, при этом
калий попал внутрь клетки, а ион натрия был выброшен наружу;
в — молекула вновь повернулась на 180° и готова к захвату новых
ионов)
принимает исходное положение и все начинается сначала-
Этот белок, открытый в 1957 г. С. Скоу, обычно называют
натрий-калиевым насосом.
Если прекратить подачу кислорода к клетке, то в ней
через некоторое время исчезает АТФ и прекращается пе-
рекачка калия и натрия; тогда разности концентраций
начинают выравниваться и ПП начинает падать. Если
в такую клетку ввести АТФ, то насос возобновляет рабо-
ту и ПП восстанавливается. Это и объясняет опыты Дже-
рарда.
Мы знаем,? что процессы в организме регулируются.
Сердце бегуна бьется втрое чаще, чем у спокойно сидящего
человека. Работа сердца регулируется нервной системой.
А можно ли как-то регулировать работу молекулы, уп-
равлять молекулярной машиной?
Оказалось, что работа ионных насосов управляется
концентрацией ионов внутри клетки и вне ее. При этом
102
работа насоса ускоряется избытком ионов калия снаружи
клетки или избытком ионов натрия внутри клетки.
Поскольку натрий-калиевый насос выкачивает нару-
жу больше ионов натрия, чем закачивает внутрь ионов
калия, он меняет не только концентрацию этих ионов, но
и мембранный потенциал. Поэтому натрий-калиевый на-
сос называют электрогенным насосом. В каждом цикле
работы насос выбрасывает наружу лишний ион натрия
и тем самым гиперполяризует мембрану. После одного
или нескольких ПД в клетке оказывается избыток Na+;
это активирует работу насоса. Интенсивно выкачивая
натрий, насос может заметно гиперполяризовать мембра-
ну: МП может на 20 мВ превышать ПП за счет работы
насоса. Таким образом, насосы не только влияют на кон-
центрации ионов, но могут быть и источниками заметной
разности потенциалов.
Мы с вами вкратце ознакомились с работой одного из
мембранных белков — натрий-калиевого насоса. В даль-
нейшем нам придется говорить про многие другие мемб-
ранные белки. Но одно важное замечание можно сделать
уже после этого первого примера. До сих пор мы рассмат-
ривали такие процессы, которые протекали совершенно
одинаково и в физических, и в биологических системах.
ПП возникает совершенно одинаково и на полупроницае-
мой мембране нервного волокна, и на полупроницаемой
стенке глиняной трубки. Теперь мы в первый раз столк-
нулись с таким явлением, которое не встречается в физи-
ке, так как оно является результатом биологической эво-
люции. Это машина, размером всего в одну молекулу, пе-
рекачивающая ионы через мембрану. Работа этой машины
может регулироваться как поставками энергии, так и си-
туацией в окружающей среде. С разными молекулярны-
ми машинами мы неоднократно встретимся в дальнейшем.
Какие еще бывают насосы?
Важнейшую роль в осуществлении самых
разных клеточных функций играет ион кальция. В по-
кое внутри клетки очень мало ионов свободного кальция
по сравнению с окружающей средой — всего 10“7—
10"8 моля. Под влиянием тех или иных воздействий каль-
ций может попадать в клетку, но потом должен быть уда-
лен из цитоплазмы. Если высокая концентрация кальция
в клетке не устраняется, клетка через некоторое время
погибает. Поэтому клетки очень тщательно следят за
103
внутриклеточной концентрацией кальция. В клеточной
мембране имеется специальный кальциевый насос, выка-
чивающий ионы кальция в наружную среду. Этот насос
электронейтрален: он обменивает ион кальция на два
протона.
В особом положении находятся мышечные клетки.
Для мышечного сокращения необходимо много ионов
кальция, и его надо доставлять к каждой из белковых
Наружная мембрана клетки
Т- система
Рис. 24. Структура
Са
Трубочки
, - Сократительные
тубелки: актин и
L .миозин
мышечной фибриллы. Молекулы кальциевого
насоса (обозначены точками) находятся на стенках цистерн и тру-
бочек, образованных внутриклеточной мембраной. Т-система —
впячивание наружной мембраны; когда ПД распространяется по
наружной мембране, он проникает в Т-систему, что приводит к вы-
бросу ионов Са++ из цистерн и трубочек и к сокращению мышечного
волокна. Затем кальциевый насос вновь убирает ионы Са++ внутрь
цистерн и трубочек, и волокно расслабляется
фибрилл, пронизывающих все тело клетки *). Его надо
быстро доставлять, а потом так же быстро убирать от фиб-
рилл, чтобы мышца могла расслабиться. Если бы кальций
поступал и удалялся через наружную мембрану клетки,
такое быстрое его перемещение было бы невозможным.
Мышечные клетки нашли выход из положения. Внутри
них имеется разветвленная система полостей и трубочек,,
образованных специальной внутренней мембраной
(рис. 24). В этих полостях и хранится кальций, туда же
он убирается для расслабления мышцы. Вся эта внутрен-
няя мембрана густо покрыта молекулами — молекулами
кальциевого насоса. Концентрация кальция в полостях
в расслабленной мышце в тысячи раз выше, чем в осталь-
ных частях клетки. Работа насоса обходится клетке не-
*) В основе сокращения мышцы лежит скольжение нитей
белков — актина и миозина — друг по другу. Но с молекулами
миозина соединены молекулы еще одного белка — тропонина,
который препятствует скольжению, играя роль своеобразного тор-
моза. Ионы кальция, связываясь с тропонином, выключают этот
тормоз и запускают сокращение.
104
дешево: на перенос двух ионов кальция насос расходует
одну молекулу АТФ.
На этом примере мы видим, что молекулярные машины
могут работать не только на наружной мембране клетки*
но и на ее внутренних мембранах.
Протонная помпа
Ионные насосы имеются не только в клет-
ках животных. Например, у гриба нейроспоры обнаружен
электрогенный ионный насос, который работает на энер-
гии АТФ и может создавать на мембране гриба разность
потенциалов в 200 мВ за счет энергичного выкачивания
протонов из клетки. У галобактерий обнаружен протон-
ный насос, работающий на энергии света. Интересно, что
белок, образующий этот насос, весьма схож по строению
с родопсином (зрительным пурпуром) рецепторов сет-
чатки.
А теперь обратите внимание на то, как далеко мы вдруг
ушли от нервного волокна или мышцы, с которыми рабо-
тали и Гальвани, и Дюбуа-Реймон, и поколения других
электрофизиологов. Вдруг речь пошла о бактериях и гри-
бах, а могла с таким же успехом пойти и о клетках расте-
ний.
В биологии очень важно сравнивать между собой раз-
ные объекты, чтобы уберечься от ложных заключений, пе-
реноса свойств одного животного на весь органический
мир. И что же показало такое сравнительное изучение?
Оказалось, что все клетки имеют ПП! Причем у разных
клеток он может создаваться разными способами: в нерв-
ном волокне — за счет градиента концентрации калия,
а у гриба нейроспоры — за счет работы протонной
помпы.
Мы знаем, что у нервных и мышечных клеток их мемб-
ранный потенциал как-то используется для передачи
сигналов и сокращения. Но зачем нужен ПП клеткам
бактерий или грибов?
Зачем невозбудимым клеткам
потенциал покоя?
Вернемся на минутку к клеткам животных.
Ведь и у животных кроме нервов и мышц есть и клетки
печени, и клетки желудкал и клетки кожи. Зачем нужен
им ПП?
105
До сих пор, когда мы говорили о движении веществ
через клеточную мембрану, мы в основном рассматривали
или воду, или ионы. Но всем клеткам необходимо полу-
чать питательные вещества, например сахара, или амино-
кислоты для построения клеточных белков. Сами по себе
эти вещества очень плохо проходят через липидные плен-
ки. Как же они попадают в клетки? Оказалось, чтоА как
Рис. 25. Схема работы белка-переносчика: а — активные центры
захватили молекулу сахара и ион натрия; б — белковая молекула
повернулась на 180° за счет энергии электрического поля, сущест-
вующего на мембране, и освободила внутри клетки сахар и ион
натрия; в — молекула вновь повернулась на 180° и готова к даль-
нейшему переносу сахара
правило, они проходят внутрь клеток тогда, когда на кле-
точной мембране есть потенциал, а в окружающей среде —
ионы натрия. Почему?
Здесь мы сталкиваемся с новым классом молекуляр-
ных машин белков-переносчиков и с явлением электриче-
ского транспорта. Эти белки присоединяют к себе на на-
ружной части мембраны молекулу (например, сахара) и ион
натрия, приобретая положительный заряд (рис. 25). Тог-
да электрическое поле втягивает переносчик к внутрен-
ней поверхности мембраны, где он отделяет сахар и нат-
рий. Затем белок-переносчик вновь проходит через жид-
кую липидную мембрану на поверхность, где захватывает
новые молекулы сахара и натрий. Лишний натрий, кото-
рый попадает внутрь клетки, откачивается наружу нат-
риевым насосом.
Итак, теперь мы понимаем, что мощное электрическое
поле в мембране создается не зря (напомним, что его на-
пряженность — сотни тысяч вольт на сантиметр): клетка,)
обладающая ПП, может эффективно втягивать внутрь
положительно заряженные молекулы или комплексы мо-
лекул. Молекула сахара сама по себе не несет заряд,}
106
а переносчик не присоединяет ион натрия, пока сахар не
займет свое место. Можно сказать, что переносчик играет
роль кареты, сахар — седока, а натрий — роль лошадки,
хотя он не сам вызывает движение, а его втягивает в клет-
ку электрическое поле. Для поглощения из среды разных
сахаров или разных аминокислот клетка имеет и разные
белки-переносчики. Переносчики у бактерий доставляют
в клетку сахара не с ионом натрия, а с ионом водорода.
Таким образом, мембранный потенциал используется
всеми клетками для электрического транспорта разных
веществ.
Электрический транспорт может быть использован
и для удаления некоторых веществ из клетки. Приведем
пример. Мы уже говорили, что избыток кальция в клетке
опасен для нее. Если кальция в клетку попало много
и кальциевый насос не справляется с его удалением, вклю-
чается особая аварийная система и в дело вступает белок-
переносчик. Он присоединяет внутри ион кальция,
а снаружи — три иона натрия и переносит кальций наружу,
а натрий — внутрь клетки. В отличие от натрий-калиево-
го насоса, который использует энергию АТФ, этот каль-
циевый переносчик работает как электромотор, используя
энергию мембранного потенциала. Правда, при каждом
цикле работы внутрь клетки тут попадают три иона натрия,
но это не так страшно, как попадание ионов кальция.
Все рассказанное нами наводит на мысль, что нервные
клетки, несколько модифицировав свою мембрану, ис-
пользовали мембранный потенциал, присущий любой жи-
вой клетке, для выполнения новой функции — передачи
сигналов. То, что служило для транспорта веществ, стало
служить для передачи информации. Такой способ эволю-
ции называется «смена функций»; он был открыт еще Дар-
вином и подробно разработан почти сто лет назад немец-
ким зоологом А. Дорном.
Как организмы используют
свои ионные насосы
Успехи молекулярной биологии часто поз-
воляют понять процессы, происходящие на клеточном и
даже на органном уровне. Так, открытие ионных насосов
позволило биологам совершенно иначе представить себе
работу целого ряда органов животных или выполнение
клеточных функций. Мы рассмотрим лишь несколько при-
меров такого нового понимания,
107
Есть животные, которые пьют только морскую водуя
например альбатросы. Специальные железы («опресните-
ли»), клетки которых снабжены ионными насосами, вы-
деляют наружу лишнюю соль. Железы с такими же функ-
циями имеются и у некоторых растений, растущих на за-
соленных почвах.
Интересно, что «опреснители» существуют и у морских
рыб. Дело в том, что их кровь менее соленая, чем окружаю-
щая среда, поэтому вследствие осмоса вода «вытягивает-
ся» из тела рыбы через жабры. Приходится пить много
воды, но с ней в организм попадает лишняя соль. Эта соль
выкачивается наружу ионными насосами, которые распо-
ложены в мембране клеток тех же жабер.
А у пресноводных рыб или лягушек вода, напротив,
поступает в тело, разбавляя внутреннюю среду. Поэтому
у этих рыб насосы жабер, а у лягушек ионные насосы
кожи ловят разноообразные ионы в окружающей среде
и перекачивают их внутрь организма. Работу такого
электрогенного насоса когда-то и удалось зарегистриро-
вать Дюбуа-Реймону на коже лягушки.
С ионными насосами связана работа органов пищева-
рения и выделения различных животных, они принимают
участие во всасывании продуктов пищеварения, выделе-
нии отходов метаболизма и др. В специальных клетках
желудка позвоночных имеется протонная помпа. Она вы-
качивает в просвет желудка положительно заряженные
ионы водорода, за которыми идут отрицательные ионы
хлора; так в желудке вырабатывается соляная кислота.
Рассмотрим еще работу кишечника человека и других
позвоночных. Когда пища в кишечнике разрушается пи-
щеварительными ферментами, там возникает очень много
молекул, которые создавали бы огромное осмотическое
давление. В передние отделы кишечника все время по-
ступает вода так, чтобы поддерживалось такое же осмоти-
ческое давление, как в плазме крови. Вместе с водой
в двенадцатиперстную кишку поступают ионы натрия
и хлора. В тонком кишечнике натрий вместе с молекула-
ми сахаров и аминокислот захватывается молекулами-пе-
реносчиками. Это создает разность потенциалов на эпи-
телии тонкого кишечника, а разность потенциалов вызы-
вает движение ионов хлора. В результате в кровь возвра-
щаются натрий и хлор, а также сахара и аминокислоты.
Вслед за этими веществами по законам осмоса идет вса-
сывание воды. За сутки из кишечника всасывается в кровь
примерно 10 литров водыг это больше^ чем все количество
108
крови в организме. Таким образом, кишечник работает
за счет «круговорота воды», а также ионов натрия и хлора«
Итак, ионные насосы обслуживают самые разные функ-
ции организма: снабжение клеток пищей, поддержание
солевого состава внутренней среды организма, регуляция
осмотических процессов; ионные насосы позволяют расте-
ниям поглощать воду и соли из почвы, животным — пить
только морскую воду и т. д. Создание высокой концентра-
ции калия и связанного с ней ПП в возбудимых тканях —
нервах и мышцах — лишь небольшая побочная веточка
в этих разнообразных и важных электрических процессах.
Ионные каналы
Мембранная теория, о которой было рас-
сказано в гл. 4, объяснив ряд классических эксперимен-
тальных данных, поставила перед биологами целый ряд
новых вопросов. Чем обусловлена проницаемость мембра-
ны для ионов калия и натрия? Каким способом мембран-
ный потенциал меняет проницаемость мембраны? Какие
процессы лежат в основе уравнений Ходжкина — Хаксли?
Вы уже знаете, что проводимость клеточных мембран
в основном определяется содержащимися в них белками,
образующими в мембране «поры», через которые могут
проходить небольшие молекулы. Те поры, через которые
проходят ионы калия, назвали калиевыми ионными кана-
лами, а те, через которые проходят ионы натрия,— нат-
риевыми ионными каналами.
Ионные каналы образованы особым классом белковых
молекул. Эти молекулы умеют отличать «свои» ионы, от-
крывают или закрывают путь для ионов под действием по-
тенциала на мембране и т. д. Таким образом, это еще один
класс белковых машин, столь же важных, как и ионные
насосы.
В начале 70-х годов английский биофизик Б. Хилле
исследовал прохождение через натриевые и калиевые
каналы ионов разного размера (один из типов каналов
был при этом заблокирован, а в растворе были только те
ионы, движение которых изучалось). Ионы, которые име-
ли размер больше критического, не проходили через дан-
ный канал. Хилле выяснил, что диаметр калиевого кана-
ла равен примерно 0,3 нм, а у натриевого канала — чуть
больше. На основании ряда таких опытов сложилось
следующее приближенное представление о ионных ка-
налах.
109
Ионный канал можно представить себе как трубку
определенного диаметра, пересекающую мембрану
(рис. 26). На одном конце (вблизи наружной поверхности
мембраны) такая трубка имеет «заслонку» или «ворота»,
положением которых управляет потенциал. Заслонка за-
ряжена и поэтому при изменении потенциала (при деполя-
ризации) может открывать вход в канал. Иными словами,}
считается, что ворота каналов представляют собой ка-
Рис. 26. Схема работы ионного канала: а — канал закрыт;
б — канал открыт. УК — устье канала, ПК — просвет канала
(трубка, пронизывающая мембрану^ через которую идут ионы),
В — ворота канала с отрицательно заряженной группой, реаги-
рующей на изменение потенциала на мембране, И — устройство
инактивации, которое закрывает канал через некоторое время после
открывания ворот
кую-то заряженную группу атомов, которая может сме-
щаться в электрическом поле, открывая при этом дорогу
для ионов калия или натрия. Смещение такой заряженной
группы в молекуле белка должно регистрироваться в виде
кратковременного небольшого электрического тока.
И действительно, в 1973 г. Р. Кейнесу и Е. Рохасу уда-
лось зарегистрировать этот ток (его называют «воротный
ток») в натриевых каналах. Чтобы более сильный ток нат-
рия не замаскировал этот слабый воротный ток, натрие-
вые каналы во время опытов были заблокированы тетро-
дотоксином.
При изучении натриевых каналов было показано, что
ворота и механизм инактивации расположены в разных
участках канала. Фермент проназа, введенный внутрь
гигантского аксона кальмара, «откусывает» часть натрие-
вого канала, торчащую из мембраны. После такой проце-
дуры канал продолжает открывать ворота под действием
деполяризации но не инактивируется. Таким образом,,
110
предсказание модели X — X о наличии двух обособлен-
ных процессов — активации и инактивации — получило
четкое экспериментальное подтверждение.
Удалось определить также плотность натриевых ка-
налов в мембране. Это было сделано разными способами.
Так, Хилле, который оценил диаметры каналов, рассчи-
тал, какое сопротивление должен иметь один такой канал,,
и получил значение порядка 1010 Ом. Зная удельное со-
противление мембраны, можно найти плотность каналов.
Другой метод состоял в том, что определялось число мо-
лекул тетродотоксина (ТТХ), необходимое для полной
блокады натриевой проводимости (принималось, что одна
молекула ТТХ блокирует один натриевый канал). Оба ме-
тода дали очень близкие результаты. Оказалось, что на
квадратном микрометре мембраны находятся всего не-
сколько десятков каналов. Это очень мало, если учесть,,
что на той же площади располагаются несколько миллио-
нов молекул липидов. «Молекулярное сито» оказалось
похожим на решето, в котором пробито всего несколько
дырочек.
Сначала думали, что существуют всего два типа ион-
ных каналов — калиевые и натриевые, но оказалось, что
это не так. Например, были открыты кальциевые каналы.
Вначале их обнаружили у пресноводных животных —
инфузорий и моллюсков. Это казалось естественным: в
пресной воде обычно больше ионов кальция, чем натрия.
Однако в дальнейшем оказалось, что кальциевые каналы
есть и у позвоночных животных. Оказалось также, что
и сами натриевые каналы устроены не все одинаково. На-
пример, в* клетках сердца эмбрионов млекопитающих об-
наружены натриевые каналы, которые не блокируются
тетродотоксином. По мере созревания организма эти
каналы заменяются другими — тетродочувствительными.
Калиевых каналов тоже оказалось много сортов. Затем
были открыты хлорные каналы и т. д. В конце концов,
каналов наоткрывали почти столько же, сколько элемен-
тарных частиц. В одной и той же клетке сердца имеется
много разных сортов ионных каналов и открываются все
новые.
Развитие методик (появление малошумящих усилите-
лей с большим входным сопротивлением и др.) позволило
перейти к изучению свойств отдельных каналов. Для это-
го микроэлектрод не вводят в мембрану, а плотно при-
жимают к ней (рис. 27). Так как каналы расположены
далеко друг от друга, удается так прижать электрод, что
Ш
под ним находится всего один канал. В таких работах уда-
ется получить ответы, например, на такой вопрос, сколько
состояний есть у канала: «открыто» и «закрыто» или еще
какие-то? В этих работах было обнаружно, что поведение
одиночного канала (одной молекулы белка) является ве-
роятностным. При данном уровне мембранного потенциа-
ла у канала есть определенная вероятность открыться
Рис. 27. Метод регистрации и поведение одиночного ионного канала.
а — Пипетка прижата к поверхности клетки, и кусочек мембраны
с одним-двумя каналами плотно присасывается к пипетке, в которой
создается небольшое отрицательное давление, б — Изменение про-
водимости отдельного канала: канал вероятностно переходит из за-
крытого состояния в открытое и назад; вероятности перехода и время
пребывания в этих состояниях зависят от потенциала на мембране.
Заметьте, что даже при состоянии «канал открыт» ворота канала
время от времени ненадолго захлопываются
на некоторое время. При другом уровне ПП эта вероят-
ность меняется.
Теперь мы можем обсудить такой вопрос: чем определя-
ется, например, рост мембранной проницаемости калия
от времени при скачке мембранного потенциала? Если бы
все каналы были одинаковыми и детерминированно управ-
лялись бы электрическим полем на мембране, то посте-
пенного изменения проницаемости не наблюдалось бы —
она менялась бы скачком. Тогда все процессы возбужде-
ния протекали бы совершенно иначе. Плавное изменение
проницаемости можно объяснить либо присутствием
в мембране каналов разного сорта с разной чувствитель-
ностью к МП, либо вероятностным характером работы ка-
налов, который и был обнаружен экспериментаторами.
Таким образом, уравнения Ходжкина — Хаксли —
это такие же макроскопические уравнения, как уравне-
ние Менделеева — Клапейрона. И как за уравнением газо-
вого состояния стоят молекулярно-кинетическая теория и
статистическая физика^ так и за уравнениями X — X
112
стоит статистическая физика каналов, которая сейчас
энергично развивается.
Другие современные направления молекулярной био-
логии — это изучение устройства одиночных молекуляр-
ных машин, их деталей и их взаимодействия, выяснение
того, какие атомные группы играют роль ворот и т. д.
И, наконец, еще одно направление — генетика ионных
каналов.
Если еще недавно предполагалось, что ионный канал —
это стабильная машина, которая встраивается в мембра-
ну и функционирует достаточно долго (может быть, и всю
жизнь), то теперь выяснилось, что белки-каналы нервных
клеток функционируют всего около суток, а потом раз-
рушаются и на их место доставляются новые каналы.
Синтезируются эти канальные белки, как и другие белки,
специальными молекулярными машинами — рибосомами.
«Команду», какой именно белок синтезировать, рибосомы
получают от особых молекул — молекул информацион-
ной рибонуклеиновой кислоты (иРНК). Английскому био-
логу Миледи удалось поставить такой красивый опыт.
Он выделил из нервных клеток молекулы РНК (в том
числе и РНК, кодирующие белки каналов) и ввел их в яй-
цеклетку. В норме эти яйцеклетки невозбудимы, т. е.
не реагируют на деполяризацию ПД. Однако те яйцеклет-
ки, в которые ввели РНК нейронов, приобрели возбуди-
мость и стали отвечать на раздражение такими же импуль-
сами, как нервные клетки. Это означает, что по РНК ней-
ронов на рибосомах яйцеклеток были синтезированы белки
ионных каналов, эти белки сумели встроиться в мемб-
рану яйцеклетки и нормально в ней работали.
Было обнаружено, что в мотонейронах позвоночных
(т. е. в клетках, управляющих мышцами) на теле клетки
в основном находятся натриевые каналы, а на дендри-
тах — кальциевые. Такрр же распределение каналов об-
наружили и на клетках Пуркинье — крупных нейронах
мозжечка. Это означает, что белки-каналы, вырабатывае-
мые клеткой, не просто встраиваются в мембрану нейрона
где попало, а каналы разного сорта транспортируются
в нужное место.
До сих пор речь шла о каналах, которые открываются
и закрываются под действием электрического поля на
мембране. Однако существуют и каналы совершенно ино-
го сорта, которые управляются химическими веществами.
Уже давно были известны каналы постсинаптической мемб-
раны, которые открываются под действием медиатора (это
113
каналы синапсов, т. е. мест контакта двух нервных кле-
ток; медиатор — это химическое вещество, выделяемое
одной клеткой и действующее на другую клетку, на кана-
лы ее мембраны; о них речь будет идти ниже, в гл. 7).
Но сейчас выяснено, что сходными свойствами обладают
и каналы, не имеющие отношения к синапсам, причем они
могут реагировать не на вещества, поступающие к наруж-
ной поверхности клетки извне, а на те вещества, которые
вырабатываются внутри клетки или накапливаются в ней.
Например, существуют кальциевые каналы, лишенные
инактивации. При деполяризации мембраны через них
в клетку все время поступает поток ионов кальция. Если
концентрация кальция в клетке достигает некоторого дос-
таточно высокого уровня, то канал закрывается. Эти ка-
налы можно закрыть и с помощью электрического поля,-
гиперполяризуя мембрану; таким образом, это каналы,-
так сказать, «двойного подчинения». Обнаружены и ка-
лиевые каналы, управляемые концентрацией кальция.
Для других кальциевых каналов показано, что они
чувствительны к концентрации особого вещества цАМФ
(циклического аденозинмонофосфата). Это вещество уп-
равляет рядом внутриклеточных процессов. (Например,
действие многих гормонов, в частности адреналина, реа-
лизуется с помощью изменения концентрации цАМФ
в клетках.) Рост концентрации цАМФ в некоторых ней-
ронах приводит к открыванию каналов и деполяризации
клетки. Одним из первых такие каналы обнаружил совет-
ский биофизик Е. А. Либерман.
Таким образом, в последние годы стало ясно, что есть
много типов каналов (они встречаются в разных клетках
в разных сочетаниях в зависимости от функции клетки),
что каналы — это динамические образования (они синте-
зируются, разрушаются, транспортируются в разные мес-
та клеток) и, наконец, что существует много механизмов,
управляющих работой каналов: это и электрические поля
на мембране, и разные химические вещества.
В каждой клетке есть гены, ответственные за белки-
каналы, но в одних клетках эти гены неактивны, а в дру-
гих они функционируют. Так электрические процессы
в клетке оказываются связанными с работой ее генетиче-
ского аппарата. Клетка может не только управлять рабо-
той каналов изнутри (т. е. открывать или закрывать их),
она может и модифицировать их, менять их свойства по-
средством биохимических реакций. Такие процессы про-
исходят^ например2 при обучении животного (см. гл, ll)tJ
ГЛАВА 6
КАК В ОРГАНИЗМЕ ПЕРЕДАЮТСЯ
СИГНАЛЫ. ЖИВОЙ ТЕЛЕГРАФ
•— Алло, центральная!
Марк Твен «Янки при дворе короля Артура»
Вы прочли название этой главы и перевели
глаза на следующую строчку. При этом от глаза к мозгу
и обратно от мозга к глазным мышцам было передано мно-
жество сигналов. Все знают, что эти сигналы передаются
по нервам. Так и хочется сказать, что нервы являются
проводами, образующими линии связи в организме, по
которым передаются сигналы. Однако аналогия между
Рис. 28. Схематическое изображение нерва: НК — нервные клетки,
а — аксоны, или нервные волокна, пучок таких волокон — нерв
нервом и, например, телеграфным проводом является пра-
вомерной только в очень ограниченных пределах.
Прежде всего, необходимо уточнить, что такое нерв.
Строго говоря, нерв — это пучок нервных волокон, каж-
дое из которых является отростком своей нервной клетки
(рис. 28), так что «проводом», передатчиком отдельного
сигнала является не нерв в целом, а отдельное волокно.
Как же работает этот «провод»? Такая постановка во-
проса может показаться несколько странной: что же тут
разбирать — провод он и есть провод, замкнешь выклю-
чатель, по проводу побежит ток, на другом конце зазвенит
звонок.
Да, действительно, по нервам передаются электриче-
ские сигналы. Да2 в нервном волокне^ как и в электриче-
115
ском проводе, имеются проводник (протоплазма волокна)
и изоляция (мембрана). Но в обыкновенном «нормальном»
проводе, к которому мы все привыкли, каждая часть игра-
ет свою, раз навсегда отведенную конструктором роль:
внутренний проводник — так уж он действительно ме-
таллический проводник с малым сопротивлением, изоля-
ция — так уж действительно изолирует внутреннюю часть
Наружная среда
Рис. 29. Электрические схемы передачи сигналов. Техническая
система («) состоит из источника тока Е, проводов П, нагрузки Н
и выключателя К. На эквивалентной электрической схеме нервного
волокна (б) показаны продольные сопротивление аксоплазмы
емкость мембраны С, сопротивление мембраны гт и источник
э.д.с. Ет
от наружной среды, и наружную среду поэтому вообще
во внимание принимать не стоит. И уж, конечно, сам ис-
точник сигнала лежит вообще где-то вне провода (как
и приемник): сигнал подается на провод «в готовом виде».
Так что электрическая схема технического устройства для
передачи сигналов (рис. 29, а) очень проста.
Теперь посмотрим, как устроено нервное волокно.
Возьмем для примера аксон кальмара. Во-первых, «про-
водник», т. е. находящаяся внутри волокна протоплазма,
обладает довольно большим сопротивлением, хотя вроде
бы ее назначение — именно проводить. Во-вторых, роль
второго (обратного) провода играет окружающая среда,
которая проводит электричество лучше, чем протоплазма
волокна. В-третьих, «изоляция», т. е. мембрана, может
считаться таковой с большой натяжкой — уж очень она
тонка., всего в две молекулы, да еще пронизана проводя-
116
щими йоны каналами, т. е. плохо изолирует внутренность
нашего волокна-провода от окружающей среды, т. е. от
обратного провода. В-четвертых, роль мембраны в переда-
че сигнала не сводится только к тому, чтобы изолировать
протоплазму от наружной среды.
Так что электрическая схема «живой» сигнализации
много сложнее.
Теория «местных токов»
Как вы знаете из предыдущего текста, каж-
дый кусочек мембраны невозбудимой клетки представляет
собой комбинацию конденсатора (С) и источника э.д.с.
(Ет) (рис. 29, б). Все эти кусочки, все эти элементарные
схемки соединены между собой: отрицательные полюса
через протоплазму, а положительные через наружную
среду. И так как э.д.с. всех элементов одинаковы, никакие
токи ни внутри, ни снаружи не идут; поэтому тот потен-
циал, который при этом имеется на мембране, и называ-
ется потенциалом покоя.
Это состояние устойчиво: если на одном из конденса-
торов почему-либо изменился потенциал, например, сни-
зился, то соседние конденсаторы поделятся с ним своими
зарядами, заработают источники, через сопротивления
потекут токи и довольно быстро восстановится прежнее
состояние и опять воцарится спокойствие: невозбудимые
клетки — они и есть невозбудимые.
Но электрическая схема мембраны возбудимых клеток
более сложна. В каждом элементе мембраны добавляется
«возбудитель спокойствия» (Е^а на рис. 30, а) — источ-
ник э.д.с., включенный «навстречу» источнику э.д.с.,
создающему и поддерживающему ПП. Не вдаваясь в де-
тали работы такого «возмутителя спокойствия» (этому была
посвящена предыдущая глава), мы будем рассматривать
его как некое устройство, которое при достижении МП
порогового уровня включается, перезаряжает конденса-
тор и тут же выключается.
Рассмотрим эквивалентную схему нервного волокна,
приведенную на рис. 30, а. Раздражению волокна, т. е. сни-
жению МП до порогового уровня, на нашей схеме соот-
ветствует разрядка конденсатора С\ (не обязательно до
нуля). Тогда включается источник э.д.с. £Йа, который
еще «подливает масла в огонь»: он не только разряжает,;
но и перезаряжает конденсатор, так что снаружи на нем
появляется отрицательный зарядг а внутри положитель-
117
ный« Это, естественно, сейчас же вызывает разрядку со-
седних конденсаторов, которые стремятся восстановить
спокойствие, и прежде всего конденсатора С2. Но если
Рис. 30. Схемы, поясняющие механизм распространения возбуж-
дения по нервному волокну: а — эквивалентная электрическая
схема нервного волокна, участок 1 возбужден, конденсатор С±
перезаряжается, в цепи идет ток от С2 и от С3 к Сг (сила тока по-
казана толщиной стрелок), в следующий момент перезарядится
конденсатор С2; б — иллюстрация к теории местных токов Гер-
мана; в — распространение нервного импульса связано с измене-
нием проводимости мембраны: передний фронт ПД обусловлен
потоком входящих ионов натрия, а задний — выходом из волокна
ионов калия
этот конденсатор С2 сам разряжается до порогового по-
тенциала, то включается второй «возмутитель» —
тогда конденсатор С2 не просто разряжается, чтобы «по-
делиться» своим зарядом, а перезаряжается так, что уже
следующий за ним начинает заметно разряжаться^ а это
118
включает соответствующий механизм возбуждения
Так и идет: возбуждение в участке 1 вызывает ток в основ-
ном между участками 2 и 1, снижает потенциал до порого-
вого в участке 2, а следовательно, этот участок возбужда-
ется, вызывает ток и т. д., по нервному волокну бежит им-
пульс.
Такая электрическая схема уже работает как настоя-
щее нервное волокно: возникшее в каком-либо месте на-
рушение равновесия (ПД) при определенных условиях
будет распространяться по волокну — по «проводу» пой-
дет сигнал.
Механизм этого процесса был в принципе правильно
понят еще Германом, и очень давно, в 1879 г.— задолго
до того, как была выяснена электрическая схема мембра-
ны, и вообще до появления мембранной теории. Идея Гер-
мана состояла в том, что токи, которые возникают в неко-
торой области возбужденного волокна, могут играть роль
раздражителя для соседних точек того же самого волокна;
в результате возбуждение охватывает новую область, ко-
торая, в сбою очередь, становится раздражителем для еще
невозбужденной части волокна, и т. д. (рис. 30, б).
Токи, которые возникают вблизи возбужденной об-
ласти, Герман назвал местными токами, поэтому и его
теорию называют теорией местных токов. Сегодня теория
распространения возбуждения с помощью местных токов
Германа общепризнана и лежит в основах электробиоло-
гии так же, как мембранная теория Бернштейна.
Уже из приведенной нами качественной картины по-
нятно, что скорость распространения возбуждения вовсе
не должна быть равна скорости распространения электро-
магнитного поля. Должно пройти конечное время, чтобы
потенциал на конденсаторе С2 снизился до порогового
уровня, после этого должно пройти еще некоторое время,
за которое протекает процесс возбуждения в элементе
и за это время импульс пройдет расстояние между
двумя элементами. Теперь нам понятен результат экспе-
римента Гельмгольца — скорость нервного импульса на-
много ниже скорости света.
Живой провод — нерв не является пассивным провод-
ником сигналов: получив сигнал — раздражение, нерв
прежде всего реагирует, выдавая ответный импульс (ПД),
а уж потом этот импульс движется вдоль волокна
(рис. 30, в).
Такой способ передачи сигналов довольно широко рас-
пространен в технике4 Достаточнох например, вспомнить
119
Нерв
Мореная Масло Морская
вода вода
Провод
Рис. 31. Опыт Ходжкина, доказывающий электрическую природу
передачи нервного импульса: а — масло преграждает путь мест-
ным токам и распространение возбуждения блокируется (см. эк-
вивалентную схему); б — провод замыкает цепь распространения
местных токов и возбуждение проходит по волокну (см. эквивалент-
ную схему)
Р
ретрансляцию телевизионных передач с помощью спутни-
ков связи. А в незапамятные времена принцип ретранс-
ляции применялся, например, для передачи сигнала тре-
воги с помощью костров. Передача нервного импульса
отличается от такой сигнализации фактически только од-
ним, а именно тем, что «разжигание костра» происходит
автоматически, как если бы на сторожевых башнях стоя-
ли фотоэлементы, которые при попадании света включали
бы электрическую зажигалку.
Таким образом, при передаче сигнала по нервному во-
локну идут два взаимодействующих процесса. Первый
120
процесс — возбуждение, т. е. генерация ПД, обусловлен
специфическими свойствами мембраны возбудимых кле-
ток, так называемыми активными электрическими свой-
ствами. Второй же — передача вдоль волокна сигнала^
включающего возбуждение, является чисто электриче-
ским, и с этой точки зрения нервное волокно совершенно
эквивалентно некоторой электрической схеме. Свойства,
за счет которых волокно ведет себя как электрическая схе-
ма, называют пассивными электрическими свойствами.
Чисто электрический характер передачи сигнала вдоль
волокна доказывает, в частности, красивый опыт, приду-
манный и поставленный уже известным нам Ходжкином
еще в 1936 г.
Схема этого опыта дана на рис. 31. На некотором участ-
ке нерва внешнюю проводящую среду заменяли изолято-
ром (наливали масло в среднее отделение ванночки). Тог-
да через этот участок не мог идти ток. И действительно,,
возбуждение доходило только до этого участка и блоки-
ровалось (рис. 31, а).
Однако результат этого опыта допускал разное истол-
кование; например, можно было предположить, что масло
меняет условия диффузии во внешней среде (существовали
гипотезы, объясняющие передачу сигнала вдоль волокна
диффузией некоторых веществ).
Такие истолкования опровергаются второй частью
опыта (рис. 31, б): если соединить жидкость в первом и
третьем отделениях обыкновенной медной проволочкой,
то импульс, исчезнув на участке ВС, появляется опять на
последнем участке CD. Ясно, что проволочка может слу-
жить только проводником электрического токаЛ замыкая
электрическую цепь.
О надежности передачи
Возникает вопрос: коль скоро нерв может
передавать сигнал чисто электрическим путем, то зачем
ему вообще нужны эти промежуточные ретрансляторы?
Казалось бы, разумней было поставить в начале волокна
«передатчик» — источник сигнала, а в конце —«приемник».
Но что значит «разумнее» применительно к устройству
нерва? Когда линию связи делают люди, то они действи-
тельно стремятся устроить ее разумно: рассчитывают ее
конструкцию, учитывая разные факторы. А в природе
конструктора нет.
121
Конструктора-то нет, но зато есть очень строгий
ОТК — естественный отбор, который беспощадно браку-
ет все негодное, нежизнеспособное. Поэтому если в ор-
ганизме при передаче первых импульсов используется
ретрансляция, то это должно иметь какой-то смысл, давать
какие-то важные преимущества. И рассмотрение того,:
как в организме используются разные комбинации чисто
электрической (пассивной) передачи сигналов с передачей
нервного импульса, даст нам возможность ознакомить-
ся с одним из ярких примеров целесообразности конструк-
ции нервных волокон, работающих в разных условиях.
Вернемся к опыту Ходжкина с тремя ванночками. Тре-
тья часть этого опыта состояла в том, что Ходжкин, меняя
длину участка ВС, проверил, на какое расстояние нерв
может без ретрансляции передавать сигнал, включающий
возбуждение. Оказалось, что это расстояние невелико по
сравнению с длиной нерва. Этот результат становится яс-
ным, если вспомнить, что в нерве существуют жесткие тре-
бования к величине сигнала: нужно, чтобы потенциал на
мембране достиг порогового значения. Если длина участ-
ка ВС велика, то сдвиг МП в его конце оказывается ниже
порогового, так как значительная часть МП, существу-
ющего в точке В, падает на сопротивлении протоплазмы
участка ВС.
Отсюда ясно, почему в нервном волокне ретрансляци-
онные станции волокна (ионные каналы) расположены до-
вольно часто. Это создает необходимую надежность: вы-
ход из строя части промежуточных станций не нару-
шает передачи сигнала. Это было известно давно: еще в
в 1899 г. русский физиолог Б. Ф. Вериго показал, что мож-
но с помощью наркотиков устранить возбудимость мем-
браны на некотором участке нерва; тем не менее нервный
импульс способен «перескочить» через этот участок. Такая
надежность «линии связи» обеспечивается тем, что, как
показали прямые внутриклеточные измерения, как пра-
вило, амплитуда потенциала действия А в несколько раз
выше порогового потенциала Fp, т. е. величины, доста-
точной, чтобы сработал ретранслятор. (Кстати, отноше-
ние AIVP так и называют коэффициентом надежности.)
Таким образом, наша линия связи устроена с большим «за-
пасом прочности», и это оправдано: надежность сигнали-
зации для живого организма является серьезным усло-
вием выживания — нельзя допустить, чтобы при выходе
из строя некоторого числа ретрансляторов или повышения
порога нарушилась связь.'
122
Но за такой способ передачи сигналов приходится, фи-
гурально выражаясь, платить по счетчику: как мы знаем,
при возбуждении мембраны расходуется энергия. Не слиш-
ком ли дорого обходится организму эта надежность? По-
чему нервы не могут передавать сигналы так, как это де-
лается в телеграфной линии?
Кабельная теория
Чтобы ответить на этот вопрос, нам придет-
ся заняться электротехникой, выйдя за пределы тех пред-
ставлений, которые мы получаем в школьном курсе. На
самом деле схема рис. 29, а может быть использована для
сигнализации только потому, что нашей человеческой
электротехнике очень повезло: воздух — плохой провод-
ник электричества. И потому, если мы рассматриваем
передачу сигналов по воздушным проводам, то даже ес-
ли они вообще не имеют изоляции, можно почти не считать-
ся с тем, что по пути происходит утечка тока. Падение нап-
ряжения происходит только за счет сопротивления про-
вода. Однако наши «провода» — нервы находятся в со-
вершенно других условиях: они окружены, как вы знае-
те, солевым раствором, хорошо проводящим электричест-
во. Представьте себе, что воздух хорошо проводил бы ток:
в электрических розетках сразу же возникло бы короткое
замыкание, провода на мачтах электропередач нужно бы-
ло бы тщательно изолировать, выключение света в ком-
нате превратилось бы в техническую проблему, все на-
ши формулы и расчеты оказались бы непригодными. Так
что для того чтобы оценить оправданность затрат на ре-
трансляцию, нам придется научиться рассчитывать элек-
трические схемы, находящиеся в специальных условиях.
К счастью для электробиологии, люди уже встреча-
лись с такой ситуацией, когда сигнальный провод прохо-
дил через солевой раствор — через обыкновенную мор-
скую воду. Это было в 50-х годах прошлого века, когда
была предпринята попытка связать телеграфной связью
Европу с Америкой. До этого подводные телеграфные
линии были проложены лишь в Индии, а также по дну Ла-
Манша. Протяженность этих линий была сравнитель-
но невелика, поэтому особых технических трудностей
не возникло. Взяли потолще проводящую жилу и потол-
ще изоляцию — и все.
Когда же 7 августа 1857 г. от берегов Ирландии нача-
ли опускать в воду трансатлантический телеграфный ка-
123
бель, он в тот же день порвался. Его вынули, срастили кон-
цы и продолжили работы. Четыре дня все шло хорошо, но
И августа он вновь оборвался. Кораблю, с которого опус-
кали кабель, пришлось вернуться в Ирландию и вытяги-
вать оборвавшийся на большой глубине конец на сушу.
Когда же наконец *) удалось дотянуть кабель до берегов
Америки и принять первые телеграммы, то ликование по
поводу удачи оказалось недолгим: буквально через счи-
танные дни сигналы, передававшиеся через океан, стали
все больше затухать, пока наконец связь не прервалась
совсем.
Стало понятно, что решать такую задачу «на глазок» не-
возможно. Проблема балансирования между прочностью
кабеля и обеспечением надежности изоляции требовала
теоретической основы, которая позволяла бы рассчиты-
вать параметры кабеля (диаметр жилы, толщину изоля-
ции) так, чтобы он, с одной стороны, был достаточно проч-
ным, а с другой — обеспечивал надежную связь на боль-
шом расстоянии.
Такая теория была разработана знаменитым англий-
ским ученым Уильямом Томсоном. Школьники знают его
по учебнику физики как автора формулы для периода элек-
тромагнитных колебаний в колебательном контуре; он же
предложил шкалу температуры, градусы которой назва-
ны кельвинами — тоже в его честь, потому что за научные
заслуги У. Томсон получил титул лорда Кельвина (это
имя он придумал сам, чтобы увековечить название малень-
кой речушки, протекающей в любимой им Шотландии).
В 1865 г. была предпринята новая попытка проклад-
ки кабеля через Атлантику. На этот раз на самом, боль-
шом пароходе того времени среди 120 инженеров и тех-
ников был и У. Томсон, который принимал самое актив-
ное участие во «внедрении» своей теории. 4 августа 1866 г.
было установлено надежное телеграфное сообщение меж-
ду двумя континентами.
Как же работает кабель — телеграфный или «живой»,
т. е. нервное волокно?
Уточним, прежде всего, что мы называем кабелем.
Всякий кабель можно себе представить как проводник
(жилу), окруженный изоляцией и погруженный в проводя-
щую среду. При подаче сигнала передающее устройство
создает на конце кабеля разность потенциалов между жи-
*) Подробная история прокладки этого кабеля, полная траги-
ческих событий, описана в книге С. Цвейга «Звездные часы челове-
чества».
124
лой кабеля и окружающей средой. Тогда по кабелю поте-
чет ток.
Но что значит «по кабелю потечет ток» — это тоже
надо уточнить. Ведь мы привыкли, что ток течет по жиле,
по проводнику, а для кабеля существенно, что изоляция
не является идеальной, и поэтому ток идет не только по
Рис. 32. Эквивалентная схема кабеля (или волокна с невозбудимой
мембраной): а — сопротивление участка жилы (или аксоплазмы)
г;Дя, сопротивление участка изоляции (или мембраны) гт/Кх.
Сопротивление окружающей среды относительно очень мало как
для кабеля, опущенного в океан, так и для нервного волокна,
помещенного в морскую воду или находящегося внутри организма,
поэтому сопротивлением окружающей среды тут пренебрегается;
б — к выводу формулы сопротивления кабеля бесконечной длины
(см. текст)
жиле, но и вытекает через изоляцию в окружающую сре-
ду. Таким образом, схематически кабель можно предста-
вить как жилу, соединенную с обратным проводом (средой)
часто-часто расположенными перемычками (рис. 32).
Такая система отличается от привычных нам систем
тем, что она является замкнутой независимо от того, что
находится на другом конце кабеля. Если приложить к од-
ному концу кабеля напряжение V, то ток по кабелю будет
идти, даже если другой конец будет полностью изолиро-
ван от окружающей среды и даже в том случае, когда у ка-
беля вообще не будет конца, т. е. если считать кабель бес-
конечным. Получается удивительная вещь: у бесконечного
кабеля конечное сопротивление.
А если разобраться, то, может быть, это не так уж стран-
но: чем длиннее кусок, тем сопротивление жилы больше,
а сопротивление мембраны меньше. В результате оказыва-
ется, что при увеличении длины кабеля его сопротивление
125
хоть и растет, но не неограниченно, а приближаясь к не-
которому конечному значению, которое называется ха-
рактеристическим сопротивлением кабеля и обозначается
Rx. Именно случай бесконечного кабеля, как ни странно,
оказался самым простым для получения основных элек-
трических характеристик кабеля.
Сопротивление бесконечного кабеля
Давайте, например, посчитаем, чему рав-
няется сопротивление бесконечного кабеля, т. е. сопро-
тивление схемы, подобной той, которая изображена на
рис. 32, но с бесконечным числом звеньев. Обозначим это
неизвестное нам сопротивление через Rx. Каждый кусо-
чек кабеля можно заменить двумя проводниками (см.
рис. 32, б). Сопротивление кусочка жилы вычисляется
I \х
по известной формуле 7? = р— и равно pf где —
удельное сопротивление вещества жилы, а — радиус
жилы. Сопротивление соответствующего кусочка оболочки
вычисляется по той же формуле, но длина I проводника
в этом случае равна б — толщине оболочки, а площадь
сечения S — это площадь боковой поверхности цилиндра
2 ла* Дж: значит, это сопротивление равно
ражения и рт *) называются сопротивлениями
жилы и оболочки на единицу длины кабеля соответственно
и обозначаются rt и гт(их смысл ясен: сопротивление еди-
ницы длины жилы и оболочки). Значит, сопротивление каж-
дого ответвления равно гт/&х (гт, деленное на Дж, потому
что площадь оболочки пропорциональна длине); сопро-
тивление участка жилы длиной. Дж равно, естественно, Дж.
Если отрезать от кабеля одно звено (отделено полукру-
гом на рис. 32, а), то, так как кабель бесконечный, ос-
тавшаяся часть будет иметь такое же сопротивление, как
и исходный кабель, т. е. Rx. Значит, весь кабель можно
представить в виде простой схемы.
Эта схема состоит из двух параллельно соединенных
ветвей (см. рис. 32, б): сопротивление одной ветви равно
сопротивлению участка оболочки гт!Ах, сопротивление
другой ветви равно сумме сопротивления кусочка жилы
*) Удельное сопротивление мембраны /?т, о котором говорилось
в гл. 3,— это произведение удельного сопротивления материала
мембраны на ее толщину: Rm = РпЛ*
126
и последовательно присоединенной оставшейся части
кабеля с искомым сопротивлением Rx. Общее сопротивле-
ние такой схемы, тоже равное Rx, вычисляется, как
обычно при параллельном соединении сопротивлений, из
1 1,1
соотношения ===== --1—5— , т. е. в нашем случае
Xi /li JR2
1 1,1 ГТ «
-д-= 7../Кх + 'г.Да + Д • Преобразовав это равенство,
ОС 7TL I ОС
получим
rm-rt + Пх-гДх+ Rx + Rx^,
или rm*rt = Rx*rt\x + Rx- В этом равенстве членом с
Дж можно пренебречь, так как длину отрезанного участка
можно сделать сколь угодно малой. Получаем, что rmri =
= откуда окончательно
RX = V^, или Rx=±y^fl-. (6.1)
Замечание. В нашем выводе выражения «можно прене-
бречь», «сколь угодно малая» можно сделать строгими, если исполь-
зовать термины и аппарат дифференциального исчисления. Мы не
прибегли к нему потому, что в наши цели не входило доказатель-
ство того, что сопротивление кабеля конечно: мы только хотели
показать, как его можно вычислить. Поэтому нам хочется привести
здесь два аналогичных приема, которые если и не могут устоять
против требования абсолютной строгости, то полезны практически.
Первый пример: обращение бесконечной периодической дроби
в обыкновенную. Пусть дана дробь 0,(57)... Обозначим ее через
х, т. е. х = 0,(57)... = 0,575757... Ясно, что ЮОгг = 57,575757 =
= 57 + х. Значит, 99х = 57, откуда х = 57/99 = 19/33. Как види-
те, здесь тоже «бесконечность» дроби не помеха, а скорее преиму-
щество: выражение для дроби 0,575757 (без многоточия) не проще,
575 757
а, пожалуй, сложнее: ООО 000 ’
Второй пример: найдем формулу суммы бесконечно убывающей
геометрической прогрессии:
Ясно, что qS ~ + Q3 + ... + qn + ..., откуда S — qS = 1,
п окончательно S = 1/(1 — q).
Физический смысл формулы (6.1) состоит в следующем:
если к бесконечному кабелю приложить напряжение V,
то по кабелю потечет ток, сила которого I определяется по
закону Ома:
J = V/Rx=V/y^.
127
На первый взгляд, все происходит так же, как в обыч-
ном сигнальном устройстве, например дверном звонке,—
там тоже по проводам течет ток силой I = V/R, Но стоп!
О каком именно токе идет речь? В звонке в любой точке
цепи сила тока одна и та же, А для кабеля существенно
то — и в этом его отличие от провода,— что изоляция не
является идеальной, и поэтому ток (увы!) течет не толь-
ко по жиле, но постоянно на каждом участочке вытека-
ет через изоляцию на обратный провод. Достаточно оче-
видно, что сила тока I = может регистрировать-
ся только в самом начале кабеля, а дальше сила тока, те-
кущего по жиле, будет убывать.
Сигнал убывает и убывает
Чтобы выяснить, по какому закону будет
убывать ток, рассмотрим опять маленький кусочек ка-
беля, т. е. одно «звено» нашей схемы. Сила тока убывает
потому, что в каждой точке кабеля ток «разветвляется»:
одна часть идет через изоляцию, а другая — дальше,
в оставшуюся часть кабеля. При этом силы токов, идущих
по ветвям, как всегда при параллельном соединении, об-
Д/
ратно пропорциональны сопротивлениям, т. е. —г~~
е= . Это равенство означает, что в каждой точке
кабеля утечка составляет определенную долю тока, теку-
щего в этой точке по кабелю. Значит, сила тока в кабеле
убывает в некотором смысле равномерно: на участке не-
которой длины I теряется одна и та же доля тока.
Попробуем выразить закон убывания силы тока фор-
мулой. Пусть на участке длиной I утечка составляет 50%.
Если обозначить входной ток через /0, то ясно, что
7(0) = 7о
Ц1) = О,5-1о
](2l)—Q,5*-I0
7 (3Z) —О,53-7о.
I(x) — O,5x/l-lo, или I (х) = Io • 2~xll.
Получается, что значения силы токов на границах уча-
стков образуют геометрическую прогрессию.
Таким образом, закон изменения силы тока в кабеле
выражается показательной функцией, причем основание
128
а здесь зависит от выбора параметра Z, так сказать, еди-
ницы длины. Если бы, мы выбирали в качестве I участок,
на котором сила тока убывает не в два раза, а в а раз, то
получили бы формулу I (х) = Z0*(l/a)x/z или I =
В математике в качестве основания показательной функ-
ции выбирают число е — основание натуральных лога-
рифмов, равное примерно 2,718. • . Тогда наш закон вы-
разится формулой
Цх) = 1^е~х^ (6.2)
(здесь X — это то расстояние, на котором сила тока в ка-
беле убывает в е раз).
Эту формулу можно получить проще, если использо-
вать дифференциальное исчисление. Более того, тогда
мы можем найти величину параметра %. Действительно,
переписав формулу со с. 128 в виде Д//Дя=—rjlrm*I (х)
и перейдя к пределу, мы получим I1 (х) — —rjr^l (х)
(знак «минус» тут появился потому, что Д/ отрицательно,
так как ток убывает). Другими словами, искомая функ-
ция удовлетворяет дифференциальному уравнению: у1 =
= —ку. Решением такого дифференциального уравнения
является функция вида Сет** (это доказывается в школь-
ном курсе), т. е. в нашем случае
I(x) = Ioe-xVr'^i. (6.3)
Сравнив формулы (6.2) и (6.3), мы видим, что параметр X
оказывается равным Yrm/rb т. е. выражается через со-
противления изоляции и сопротивление жилы кабеля:
Величина X называется константой затухания; формула
(6.4) дает ее зависимость от удельных сопротивлений изо-
ляции и жилы и от радиуса жилы кабеля.
Так как напряжение в любой точке кабеля по закону
Ома равно V — I*RX, то для убывания разности потен-
циалов вдоль кабеля получаем
V (х) = I (х) • Rx = I0Rxe~x^ = Voe-X^. (6.5)
Таким образом, разность потенциалов на оболочке ка-
беля (т. е. сдвиг МП для нерва) также убывает вдоль ка-
беля по экспоненте.
5 М. Б. Беркинблит, Е. Г. Глаголева
129
Эти формулы (и многие другие) были получены У. Том-
соном и легли в основу теории, которая дала возможность
провести все нужные инженерные расчеты. Так была ре-
шена проблема устойчивой трансатлантической теле-
графной связи.
Формулы (6.4) и (6.5) получены для кабеля бесконечной
длины; реально таких кабелей, естественно, не существу-
ет. Однако простой расчет показывает, что если длина ка-
беля в 10—20 раз превышает его константу затухания, тэ
практически такой кабель можно считать бесконечным.
Нервное волокно — бесконечный кабель
Вернемся теперь к нервам. Электрическую
структуру нервного волокона в принципе угадал еще
Гальвани. (Правда, он рассуждал о целом нерве, а не о со-
ставляющих его отдельных нервных волокнах.) Он писал,
что внутри нерва имеется проводящая среда, окруженная
изолирующей оболочкой, подобно проводу от электричес-
кой машины, заизолированному воском. С помощью спе-
циальных химических экспериментов Гальвани пришел
к правильному выводу, что изоляция нерва образована
жироподобными веществами. Дальнейшее изучение строе-
ния уже отдельных нервных волокон подтвердило догад-
ку Гальвани. А в 1946 г. Ходжкин и Раштон эксперимен-
тально показали, что такие одиночные волокна, как гигант-
ский аксон кальмара, ведут себя подобно бесконечному ка-
белю, т. е. к ним полностью применима теория Томсона.
Они вводили в аксон микроэлектрод и пропускали черс з
него ток, создавая в этой точке изменение мембранною
потенциала. С помощью второго микроэлектрода много-
кратно измеряли разность потенциалов на мембране на
разных расстояниях от первого электрода (рис. 33, а).
Потенциал действительно спадал по экспоненте. Констан-
ту затухания можно найти непосредственно по графику
спада потенциала (рис. 33, б). Оказалось, что длина ак-
сона кальмара во много раз больше его константы затуха-
ния. После этого Ходжкин и Раштон провели расчеты, ко-
торые были, так сказать, обратной задачей по сравнению
с первым приложением теории Томсона. При расчете транс-
атлантического кабеля нужно было, зная удельные сопро-
тивления материалов жилы и изоляции кабеля, рассчитать
его параметры (диаметр жилы, толщину изоляции). Здесь
же был готовый кабель — аксон, но удельные сопротивления
его оболочки — мембраны и жилы — аксоплазмы былинеиз-
130
вестны. Конечно, сама по себе константа затухания не поз-
воляет найти и /?т, и Rf (нельзя найти из одного уравне-
ния две неизвестные величины). Однако в таких опытах, как
опыты Ходжкина и Раштона, экспериментально опреде-
лялась не только константа затухания X = У rm/rv но и
характеристическое сопротивление волокна Нх — Угт*гг
Измеряя напряжение на мембране непосредственно около
Рис. 33. Убывание потенциала вдоль нервного волокна, а — Схема
опыта: 1 — электрод для пропускания тока (ток пропускается та-
кой, чтобы не вызвать возбуждения волокна), 2 ~ электрод для
рэгистрации потенциала, возникающего при пропускании тока.
б — График зависимости величины этого потенциала от расстоя-
ния до точки пропускания тока
токового электрода и зная силу пропускаемого тока, мож-
но найти сопротивление, которое называют входным со-
противлением волокна и которое ровно в два раза меньше
характеристического (ведь ток, входящий в волокно, рас-
текается в двух направлениях и вообще ситуация здесь
такова, как если бы мы имели дело с двумя полубесконеч-
ными кабелями, включенными параллельно друг другу).
Кроме того, необходимо с помощью микроскопа аккурат-
но измерить диаметр волокна. Тогда из формул для X и
7?х, зная связь гт и rt с Rm и Ri, легко найти последние ве-
личины. Ходжкин и Хаксли выяснили, что Rm =
= 1000 Ом-см2, a Ri = 40 Ом «см. Таким образом, удель-
ное сопротивление аксоплазмы очень велико, примерно
5* 131
в 25 миллионов раз выше, чем у меди, а сопротивление мем-
браны, напротив, очень мало по сравнению с изоляцией
технических кабелей.
В этой связи в научно-популярных книгах *) принято
говорить, что отсюда видно, каким плохим кабелем яв-
ляется нервное волокно; ясно, что на расстоянии в один
метр — примерное расстояние от спинного мозга до
мышц пальцев руки — сигнал полностью затухнет; от-
сюда следует, что для распространения сигнала необхо-
димо его усиливать в каких-то промежуточных пунктах,
т. е. нужны ретрансляционные станции. Это верно. Да не
совсем.
Безымпульсная передача сигналов,
или первая встреча с геометрией
А почему, собственно, сигнал надо переда-
вать на метр? Конечно, исходя из размеров человека или
жирафа и вообще всех, «кто так высок», эта величина впол-
не разумная. Но надо помнить, что не все живые существа
так велики, как мы.
Наша первая встреча с геометрией относится к разли-
чию больших и маленьких организмов. Геометрическая
теория подобия учит, что при изменении линейных разме-
ров тела в п раз площади меняются в п2, а объемы — в п3
раз. Этот замечательный факт играет важную роль в по-
нимании самых разных явлений. Почему не падают обла-
ка, почему хвосты у комет направлены от Солнца, поче-
му муравей может поднимать груз, превышающий его вес
в десятки раз, а человек не может? Ответы на эти вопросы
связаны с тем, что все физические характеристики — как
в неживой природе, так и в живых организмах — меняют-
ся в определенном для каждой величины отношении: мас-
са — пропорционально кубу линейных размеров тела, со-
противление воздуха движению тела — пропорционально
квадрату линейных размеров тела и т. д.
На значение принципа подобия для живой природы
указывал еще Галилей, он отмечал, что мелкие животные
♦) См., например, книгу: Катц Б, Нерв, мышца и синапс.—
М.: Мир, 1968;. или: Фомин С. В., Беркинблит М. Б. Математичес-
кие проблемы в биологии.— М.: Наука, 1973. В последней книге
сказано: «Передача сигнала по такому проводу, скажем, на 1 м —
задача не менее сложная, чем передача сигнала по обычному теле-
фонному проводу, идущему от Земли за пределы Солнечной системы*
На этом пути величина сигнала уменьшилась бы в миллионы раз
и восприятие его было бы невозможным» (с. 84).
132
могут тратить относительно меньше веществ на построе-
ние скелета, чем крупные: вес животных уменьшается при
изменении размеров как п3 (как объем), например, в 1000
раз, а прочность костей при этом снизится только в 100
раз, так как она пропорциональна площади сечения, т. е.
п2, следовательно, кости будут чрезмерно массивны и мож-
но их утоньшить.
Найти закон изменения интересующей нас величины
при «подобных» преобразованиях не так просто, особенно
в живых организмах. Так, в «Путешествии Гулливера»
Свифт пишет, что император Лилипутии, узнав, что Гул-
ливер в 12 раз выше среднего лилипута, распорядился вы-
давать ему пищу, достаточную для прокормления 1728 ли-
липутов (1728 = 123). Хотя Свифт устами Гулливера и
похвалил императора «за «мудрую расчетливость», в дей-
ствительности император допустил ошибку: потребность
в пище у животных вовсе не пропорциональна их объему.
Это связано, в частности, с тем, что потери тепла пропор-
циональны поверхности тела, т. е. п2, поэтому человек,
в 12 раз больший лилипута, тратил бы на теплоотдачу все-
го в 144 раза больше энергии, а не в 1728.
Итак, при изменении размеров животные могут полу-
чать ту или иную выгоду: мелкие животные могут затра-
чивать относительно меньше веществ на построение ске-
лета, крупные животные могут экономнее расходовать
пищу *) и т. д.
Попробуем теперь подойти к проблеме передачи сиг-
нала по пассивному кабелю не с точки зрения человека,
характерный размер для которого метр, а с точки зрения
мушки-дрозофилы — любимого объекта генетиков. Для
нее характерный размер составляют не метры, а милли-
метры, т. е. ее линейные размеры примерно в 1000 раз
меньше, чем у человека. Но ведь и нервные волокна у нее
тоньше!— может возразить читатель. Да, это так. Но
посчитаем теперь, что нам даст формула (6.4). Если нерв-
ное волокно мушки будет в 1000 раз тоньше, чем, напри-
мер, у кальмара, т. е. не 1 мм, а 1 мкм, то % этого волокна
будет меньше в ]Л1000 раз, т. е. равна не 8 мм, а всего
250 мкм. Но для дрозофилы это 20% длины ее тела!
А ведь сигнал затухает при этом всего в 3 раза. Может быть,
и более сильное затухание не так уж страшно. «Плохие
кабели» — пассивные нервные волокна — позволяют
*) Эти и многие другие проблемы обсуждаются в интересной
книге: Шмидт-Нильсен Размеры животных.— М.: Мир, 1987.
133
мухе передавать сигналы практически на любые важные для
нее расстояния, не используя промежуточного усиления
сигналов. А ведь дрозофила — не самое мелкое животное,
имеющее нервную систему.
Эксперименты показали, что у мелких животных дей-
ствительно есть передача сигналов по нервным волокнам
без ретрансляции.
Но погодите. Ведь если нерв только в 2—3 раза боль-
ше А, — константы затухания, то какой же это бесконеч-
ный кабель?! И вообще, получается какой-то заколдован-
ный круг: если кабель можно считать бесконечным, то
это значит, что по нему сигнал без ретрансляции передать
нельзя, если же сигнал передать можно, то отсюда следу-
ет, что кабель не бесконечный и все наши формулы к нему
неприменимы.
Этот круг был разорван еще У, Томсоном, который по-
лучил не только те формулы, которые были приведены
выше, но и формулы для конечных участков кабеля. Замеча-
тельно, что X— константа затухания — фигурировала
и во всех этих формулах. Закон изменения потенциала
вдоль длины кабеля выражался более сложно, чем для бес-
конечного кабеля, но интересующая нас величина — раз-
ность потенциалов на конце отрезка кабеля длины Z, ко-
торый «заткнут» на конце (это значит, что сопротивленге
«торца» гораздо выше характеристического сопротивле-
ния кабеля), такова!
V —____К2__ (6
I et/h _L_
где ch-^-- —----. Несложные выкладки пока-
зывают, что в конце заткнутого участка кабеля длины I
потенциал на мембране будет выше, чем на том же рас-
стоянии I от начала такого же бесконечного кабеля, если
потенциал в начальной точке у них одинаков, т. е. потен-
циал в заткнутом отрезке кабеля спадает медленнее, чем
в бесконечном кабеле (рис. 34).
Вернемся к дрозофилам. Вы видели, что их нервные
волокна нельзя считать бесконечными кабелями. Но от
этого им только лучше: на расстоянии X сигнал будет спа-
дать не в е раз, а еще меньше, т. е. передача сигналов бу-
дет идти еще более успешно. Тут уменьшение размеров ме-
няет не только количественные отношения величин, но
и изменяет закон связи между ними! меняется не просто
соотношение константы затухания и длины волокна, но
и сам закон спада потенциала.
134
Обратимся теперь к человеку и спросим себя: много ли
у человека нервных клеток, имеющих аксоны длиной до
метра? Нет. Такие клетки представляют собой довольно
редкое исключение. Большинство нервных клеток мозга
посылает сигналы только своим соседям, т. е, на расстоя-
Рис. 34. Спад потенциала в бесконечном кабеле и в конечных от-
резках кабеля длиной 2Х: А — бесконечный кабель, Б — отрезок
кабеля, заизолированный на конце, В — отрезок кабеля, закоро-
ченный на конце
ние всего в миллиметр или даже долю миллиметра. Таким
образом, для очень многих клеток мозга более характер-
ными являются «мушиные» масштабы длины; а при таких
расстояниях кабельные свойства нервных волокон, как
мы видели, не столь уж плохи. Таким образом, можно ду-
мать, что не только у мелких животных есть волокна, ко-
торые передают сигналы без импульсов. И действительно,
сейчас у многих животных открыты нервные клетки, кото-
рые не генерируют импульсов. У человека такие клетки
тоже есть и они довольно давно известны — это нейроны
сетчатки. Мы подробнее поговорим о безымпульсных ней-
ронах в гл. 9; там мы обсудим, в чем преимущества и в чем
недостатки безымпульсной передачи сигналов.
Так что безымпульсная передача сигналов не явля-
ется абсолютной привилегией животных, у которых об-
щие размеры малы, а рекордсменами в этом способе пере-
дачи являются, пожалуй, усоногие раки, существа не столь
уж и мелкие, Они ведут сидячий образ жизни и по внеш-
135
нему виду похожи скорее на ракушку (моллюска), чем на
рака *). Во взрослом состоянии эти раки имеют три прос-
тых глазка, которые позволяют им отличать свет от тени
и быстро прятаться в раковину, когда на них падает тень.
Этот сигнал опасности передается от глазных рецепторов
в мозг по длинным и тонким нервным волокнам, длиной
до 3 см и диаметром всего 30 мкм. Каково же было удив-
ление исследователей, когда оказалось, что по таким ка-
белям сигнал передается с затуханием всего 20%. А удив-
ление вызвало то, что расчеты показывали, что даже по
формулам для конечного кабеля в нервном волокне таких
размеров с обычными параметрами мембраны потенциал
на его конце должен составлять лишь ничтожную долю
исходного. Оказалось, что это нервное волокно не сов-
сем обычное. Усоногие раки «придумали» еще одну хит-
рость — они сильно повысили сопротивление мембраны
этого волокна. В мембране аксонов этих клеток очень
мало ионных каналов. Эти каналы, как вы помните, нужны
для генерации нервного импульса, а раз передача по этим
аксонам безымпульсная, то и необходимость в каналах
отпадает, а ведь именно эти каналы и обусловливают про-
водимость мембраны. В результате удельное сопротивле-
ние мембраны аксонов усоногих раков примерно в 500 раз
выше, чем у мембраны гигантских аксонов кальмаров. Мы
видим, что свойства мембраны в ходе эволюции могут ме-
няться в зависимости от выполняемых ею функций.
При изменении свойств мембраны происходит как бы
смена «пространственного масштаба»: в случае аксонов
усоногого рака 3 см становятся маленьким расстоянием.
Даже в одном и том же организме большое для одного нерв-
ного волокна расстояние для волокна с другими электри-
ческими характеристиками может быть мало. Расстояние,
непреодолимое при безымпульсной передаче для одного
волокна, может оказаться вполне приемлемым для дру-
гого. Таким образом, чтобы охарактеризовать расстояние,
на которое может передаваться сигнал по нервным волок-
нам безымпульсным (или, как говорят ученые, электрото-
*) Усоногими раками много занимался Ч. Дарвин, который
написал о них большую монографию. С этим связан следующий
семейный анекдот. Когда Дарвин стал знаменит, к нему приходило
много посетителей. Однажды один из посетителей очень долго
разговаривал и никак не уходил, и один из детей Дарвина спросил:
«А когда же этот дядя занимается усоногими раками?» Ребенок
был искренне уверен, что каждый взрослый человек несколько часов
в день должен писать про усоногих раков»
136
ническим) способом, нужно каждый раз брать свою еди-
ницу измерения —- константу затухания данного нервного
волокна.
Не забывайте о емкости!
Однако имеется еще один фактор, влияюпшл
на затухание сигнала, связанный уже не с пространством,
а с временем. Дело в том, что сама константа затухания
не очень-то константна: затухание сигнала в одном и том
же волокне зависит от скорости изменения тока, который
по данному волокну передают. Константа затухания, оп-
ределяемая формулой X = Угт/гь годится только в слу-
чае постоянного тока. Но ясно, что с помощью постоян-
ного тока нельзя передавать информацию, как нельзя пе-
редать телеграмму, нажав один раз на телеграфный ключ.
В случае же переменного тока при рассмотрении свойств
кабеля нужно непременно учитывать еще одну характе-
ристику — емкость его изоляции. Действительно, из-за
наличия емкости изоляция кабеля будет обладать для
переменного тока более низким сопротивлением, чем для
постоянного: ведь переменный ток будет течь и через ак-
тивное сопротивление*мембраны (так же, как постоянный),
и через емкость. А кабель, у которого ниже сопротивле-
ние изоляции, хуже передает сигналы, они сильнее зату-
хают в нем (см. формулу (6.5)). Таким образом, пассив-
ные кабели, мембрана которых обладает емкостью, хуже
передают переменные, особенно быстроменяющиеся, сиг-
налы, чем постоянный ток. Другими словами, при ана-
лизе передачи переменных токов необходимо брать в ка-
честве элемента кабеля полную схему с емкостью, как на
рис. 31, а не упрощенную, как на рис. 32, которую мы ис-
пользовали в случае постоянного тока.
Мы сказали, что быстроменяющийся сигнал затухает
сильнее, чем медленноменяющийся. Но что значит «быст-
ро», т. е. при какой скорости изменения сигнала влияние
емкости начинает заметно сказываться на его затухании?
Понятия «быстро» или «медленно» в этом случае столь
же относительны, как большое или малое расстояния. Ока-
зывается, что так же, как понятия большого или малого
расстояние определяются через сравнение с эталоном —
константой затухания (которая измеряется в метрах, сан-
тиметрах и т. д.), для понятий «быстро» или «медленно»
тоже есть свой эталон — так называемая постоянная вре-
мени т, которая определяется формулой т = где
137
Rm и Cm — соответственно удельное сопротивление и ем-
кость мембраны. Размерность постоянной времени, как
и следовало ожидать,— секунды. Например, для гигант-
ского аксона кальмара т = 1 мс, т. е. сигнал, длящийся
всего одну сотую секунды, будет передаваться по этому
волокну практически так же, как постоянный ток. Сигнал
той же длительности для нейрона моллюска (т = 0,5 с)
будет уже «быстрым».
Теперь мы можем сделать окончательный вывод. Для
передачи сигнала, достаточно медленного по сравнению
ст — постоянной времени, на расстояние, сравнимое с
X — константой затухания, вполне годится пассивный ка-
бель (электротонический способ передачи сигналов).
В противном случае для передачи сигнала без большого
затухания требуется усиление сигнала на пути его следо-
вания, т. е. передача с помощью импульсов (хотя возмож-
но и небольшое усиление, которое не приводит к появле-
нию импульса, но ослабляет затухание). Эволюция выби-
рает из этих способов тот, который наилучшим образом
обеспечивает надежность «сигнализации», т. е. переда-
чу на приемный конец нервного волокна сигнала доста-
точной силы.
Лучше раньше, чем позже,
или дорога ложка к обеду
Однако надежность — это не единственное
требование к линии связи. Едва ли мы были бы довольны,
если бы почта никогда не теряла газеты (высокая надеж-
ность), но доставляла их с опозданием на год, и уж совсем
никуда не годится, если штормовое предупреждение будет
получено через час после того, как кончится шторм. Так
и с нервной системой. Мало обеспечить передачу сигналов
достаточной силы: нужно еще, чтобы эти сигналы доходи-
ли вовремя, т. е. жизненно важным условием эффектив-
ности сигнализации является достаточно высокая ♦) ско-
рость передачи сигнала.
От чего же зависит эта скорость? Но прежде чем от-
ветить на этот вопрос, необходимо уточнить, что такое ско-
рость сигнала. При ретрансляции все ясно: сигнал — это
импульс определенной величны (ПД), он перемещается
♦) Читателю должно быть теперь ясно, что «достаточно высо-
кая» скорость — понятие относительное, связанное и с простран-
ственными характеристиками, и с важностью сигнала; мы ведь
тоже выбираем, сообщить ли новость письмом или телеграммой
138
вдоль волокна; скорость перемещения импульса и есть
скорость сигнала. Ее можно измерить, что было сделано
экспериментально еще Бернштейном и Германом. Сов-
сем иначе обстоит дело при электротонической передаче.
Если спросить, чему равна скорость прохождения сиг-
нала по телеграфному кабелю, каждый, не задумываясь,
скажет, что она близка к скорости света, и будет прав: при
вызове из Москвы Владивосток отзывается практически
мгновенно. Казалось бы, и нерв — тот же кабель — дол-
жен вести себя так же. Однако количественные отличия
электрических характеристик нервного волокна от харак-
теристик технического кабеля приводят к качественно
иной картине. Мало того, что из-за низкого сопротивле-
ния оболочки происходит сильное затухание сигнала; на-
личие большой емкости приводит к тому, что окончатель-
ная картина распределения потенциала устанавливается
не сразу.
Посмотрите на рис. 35, б; кривые tu , » » показыва-
ют, что после включения тока потенциал заметно меняет-
ся сначала только на участках кабеля, близких к месту при-
ложения тока, так как практически весь ток идет на за-
рядку близлежащих емкостей, и только по мере того, как
последовательно заряжаются все более удаленные емко-
сти, распределение потенциала приближается к стационар-
ному. В результате насколько быстро до той или иной точ-
ки дойдет сигнал такой величины, которую уже можно при-
нять, зависит от того, насколько быстро вся картина распре-
деления потенциалов приблизится к стационарной.
Достаточно простые соображения показывают, что эта
скорость должна зависеть от основных параметров кабе-
ля: постоянной времени т и константы затухания %. Дей-
ствительно, чем больше %, тем меньшая доля тока вытека-
ет через изоляцию и тем быстрее остающийся ток заря-
дит емкости; чем больше емкость (а следовательно, и т),
тем медленнее будет идти ее зарядка, а тем самым и при-
ближение к стационарному состоянию.
Эти общие соображения уточнили в 1946 г. Ходжкин
и Раштон, которые ввели понятие скорости электротона.
Посмотрите еще раз на рис. 35, б. Так что же тут считать
скоростью? Если ее вычислять исходя из того, через какой
промежуток времени на некотором расстоянии появится
сколь угодно малый сигнал, то это будет скорость света.
Но такая характеристика работы нервной системы беспо-
лезна: сколь угодно малый сигнал не может быть принят.
Если же определять скорость по тому моменту времени, ко-
139
Рис, 85. К определению скорости распространения электротони-
ческого сигнала, а — Схема опыта. В некоторый момент через
волокно в точке а0 начинают пропускать постоянный ток и регист-
рируют изменение потенциала со временем в этой точке и на разных
расстояниях от нее. Чем дальше находится точка регистрации от
места пропускания тока, тем медленнее нарастает в ней потенциал
и тем меньшего конечного значения он достигает, б — Графики
распределения потенциала вдоль по длине волокна в разные мо-
менты времени (^, t2, t3, после включения постоянного тока.
Распределение постепенно приближается к стационарному экспо-
ненциальному (г оо)
гда в некоторой точке волокна будет достигнут стационар-
ный потенциал, то скорость будет равна нулю, так как вре-
мя достижения стационарного уровня бесконечно.
Поэтому для электротонической передачи сигналов
Ходжкин и Раштон выбрали некоторое условное определе-
ние скорости.
На рис. 35, б кривая, отмеченная крестиками, представ-
ляет собой вдвое сжатую стационарную экспоненту. В нача-
140
ле волокна потенциал не только больше по абсолютной ве-
личине, но он быстрее приближается к своему стационарно-
му значению. Видно, что в начальной точке aQ потенциал
становится равным половине стационарного значения рань-
ше, чем в других точках волокна. В точке аи находящей-
ся на расстоянии X от точки aQ, потенциал достигает поло-
вины стационарного значения на 0,5 т позднее, чем в точ-
ке а0; в точке а2, находящейся на расстоянии 2Х от начала
волокна, потенциал достигает половины стационарного
значения с запозданием в т по сравнению с точкой aQ и т. д.
Скоростью электротонической передачи сигнала счи-
тается та скорость, с которой распространяется достиже-
ние половины стационарного значения.
Определение это довольно сложное и кажется несколь-
ко искусственным. На самом же деле оно совершенно за-
мечательное. Во-первых, оказывается, что эта скорость
постоянна на всем протяжении бесконечного кабеля (ес-
ли выбрать не половину стационарного значения, а, на-
пример, одну треть, то скорость постоянной не будет). Во-
вторых, она чрезвычайно просто выражается через основ-
ные характеристики кабеля — X и т, а именно
v = 2Мт. (6.7)
В-третьих, хотя эта скорость вводится для бесконечного
кабеля, оказывается, что и в конечных волокнах, с кото-
рыми имеют дело биологи, средняя скорость передачи сиг-
нала имеет тот же порядок величины.
От чего зависит скорость
нервного импульса?
Посмотрим теперь, как обстоит дело со ско-
ростью при импульсной передаче. Хотя само понятие ско-
рости тут уточнять не нужно, зависимость ее от свойств
волокна более сложная: ведь, как вы знаете, движение ПД
по волокну происходит в результате двух процессов: ак-
тивного — возбуждения мембраны, и пассивной передачи
электросигнала по еще невозбужденному участку волокна.
Естественно поэтому, что скорость проведения импульса
определяется как пассивными характеристиками волокна
(X и т), так и активными, т. е. теми, которые влияют на
развитие возбуждения.
Понять характер этой зависимости в общем, «на паль-
цах», несложно. Ясно, прежде всего, что скорость импуль-
са тем выше, чем больше скорость электротона, т. е. от-
141
ношение к/т. Чем выше эта скорость, тем дальше и быстрее
распространяется сигнал по еще невозбужденному участ-
ку волокна, сохраняя надпороговое значение.
Понятно также, как влияют на скорость сигнала ак-
тивные характеристики волокна: фактор безопасности
и скорость развития возбуждения. Взгляните на рис. 36.
Рис. 36. Зависимость скорости распространения импульса от пара-
метров нервного волокна: А — амплитуда нервного импульса,
Vp — пороговый потенциал мембраны волокна, О — точка волокна,
которая возбудится под действием импульса, находящегося в на-
чале координат
Чем больше фактор безопасности, т. е. чем больше ампли-
туда ПД и чем ниже порог возбуждения, тем на большем
расстоянии потенциал возбужденной области способен ак-
тивировать невозбужденное волокно. Чем быстрее разви-
вается возбуждение, тем меньше временная задержка
при ретрансляции, тем выше и скорость проведения.
Эти общие соображения легко использовать теперь,
когда полностью известна вся картина распространения
импульса и понятен механизм этого процесса. Но этот ме-
ханизм выяснен в результате огромного труда, взаимодей-
ствия гипотез и эксперимента, удач и ошибок.
Так, еще в 1907 г. С. Максвелл изучал зависимость ско-
рости распространения ПД от температуры и показал, что
при охлаждении волокна на 10 °C скорость снижается при-
мерно в 2,5 раза. Но истолкование этого результата долго
было ошибочным: он считался аргументом в пользу диф-
фузионной теории распространения нервного импульса:
химическая реакция диффундирующего вещества может
так сильно зависеть от температуры. А сейчас мы понима-
ем, что температура влияет на скорость развития возбуж-
дения, и опыты Максвелла легли «кирпичиком» в зда-
ние общей теории,
142
Среди многих ученых, внесших свой вклад в построй-
ку этого здания, следует отметить американского биоло-
га Лилли. В 1914 г. он в своей работе привел вышеуказан-
ные простые соображения о характере связи скорости про-
ведения импульса по волокну с его пассивными харак-
теристиками. Тем самым Лилли одним из первых указал
на сходство нерва и кабеля.
Позже он придумал очень красивую модель процесса
передачи возбуждения. Если в азотную кислоту опустить
железную проволоку, покрытую окисью, а затем поцара-
пать окись, то место повреждения окиси начинает распро-
страняться вдоль проволоки, причем показано, что это
распространение происходит за счет местных токов (как
и распространение ПД). Таким образом, проволока игра-
ет роль жилы кабеля, окись — его изоляции, азотная ки-
слота — наружной среды, а распространение повреждения
имитирует движение потенциала действия.
Эта модель навела Лилли впоследствии на замечатель-
ную идею о так называемом сальтаторном проведении,
но об этом позже.
Работы Лилли и других исследователей стимулировали
многочисленные экспериментальные проверки кабельной
теории проведения, тем более точные и содержательные,
чем более развивалась техника эксперимента. В 1939 г.
Ходжкин доказывал зависимость скорости импульса от
сопротивления наружной среды. Ходжкин измерял ско-
рость ПД в волокне, находящемся в большом объеме мор-
ской воды, и в волокне, которое вынуто из воды и покры-
то только тонкой пленкой жидкости. Во втором случае
скорость нервного импульса была ниже, как и следует из
формулы *):
В 1947 г. Катц в более тщательных экспериментах уточ-
нил характер этой зависимости, определяя X волокна в раз-
ных условиях и измеряя скорость потенциала действия
в этом волокне.
После того как научились менять ионный состав внут-
реннего содержимого гигантского аксона кальмара, стало
*) Это та же формула для константы затухания, что и (6.4).
Но при выводе формулы мы считали, что сопротивление наружной
среды очень мало и им можно пренебречь. Если это сопротивле-
ние г0 значимо, оно играет ту же роль, что и сопротивление прото-
плазмы и просто прибавляется к последнему^
143
возможным менять в формуле (6.8) не только г0, но и rit
Качественно влияние rt было показано в эффектной работе
Кастильо и Мура. Эти исследователи вводили в гигантский
аксон кальмара (1959 г.) вдоль его оси тончайшую сереб-
ряную проволочку, резко снижая сопротивление аксо-
плазмы. При этом они получили увеличение скорости про-
ведения в сотни раз. В дальнейшем в оболочку выдавлен-
ного аксона вводили раствор K2SO4, сопротивление которо-
го ниже сопротивления аксоплазмы, или раствор солей
с сахарозой, сопротивление которого выше, чем сопротив-
ление аксоплазмы. При этом скорость нервного импульса,
менялась в соответствии с теорией.
Проведение нервного импульса
и модель Ходжкина — Хаксли
Все эти результаты удалось объединить в
целостную систему тогда, когда была создана модель
Ходжкина — Хаксли. Как вы помните (гл. 4), это систе-
ма уравнений, описывающих поведение возбудимой мем-
браны, которые говорят о том, как меняется сопротивле-
ние мембраны, какие токи начинают течь через нее и как
они меняются во времени, если в начальный момент вре-
мени в данной точке мембраны создан определенный по-
тенциал.
Разработав свою математическую модель возбужде-
ния, Ходжкин и Хаксли добавили к четырем уравнениям
этой модели кабельное уравнение Томсона.
Решение этой системы уравнений, полученное на
ЭВМ*), дало значение скорости проведения весьма близ-
кое к найденному экспериментально. В 1959 г. Хаксли
показал, что уравнения дают правильную зависимость ско-
рости импульса от температуры. При решении систем урав-
нений было выяснено, что имеются две устойчивые ско-
рости распространения нервного импульса в нервном
волокне, о которых до того никто не думал. Как часто бы-
вает, уравнения оказались очень умными.
*) Интересно, что еще в 1940 г. три американских теоретика
пытались создать единую теорию, объединяющую кабельные урав-
нения и мембранную теорию Бернштейна. В этой работе было впер-
вые показано, что снижение сопротивления мембраны при возбуж-
дении важно для проведения ПД, и было сделано пророческое
замечание, что решающий успех в проблеме распространения
нервного импульса будет достигнут с появлением вычислительных
машин.
144
Анализ показал, что только большая скорость являет-
ся устойчивой; это значит, что если исходно импульс дви-
гался медленнее, то его скорость возрастет, а если быстрее,
то снизится. Вторая скорость оказалась неустойчивой:
если импульс двигался медленнее, то он совсем исчезал,
а если быстрее — разгонялся до устойчивой скорости. Эти
два процесса совершенно аналогичны процессам горения
(высокая скорость) и тления (низкая, неустойчивая ско-
рость) при распространении области высокой температуры
по листу бумаги. В опытах меньшую неустойчивую ско-
рость не наблюдали из-за ее неустойчивости.
Но как можно в одном и том же волокне иметь раз-
ные скорости? В каких условиях импульс будет разго-
няться? Все это зависит от начальных условий. Если в
начале возбудить очень маленький кусочек волокна, то им-
пульс либо может вообще затухнуть (слишком велико внут-
реннее сопротивление генератора), либо начнет разгонять-
ся, т. е. возбужденная область станет больше, от этого
амплитуда ПД возрастет, от этого еще больше вырастет
размер возбужденной области и т. д., пока не будет до-
стигнута устойчивая скорость распространения ПД.
Поскольку работа с уравнениями X — X требует вы-
числительных машин и не позволяет получить удобные
и обозримые формулы для скорости нервного импульса,
был развит ряд более простых, но более удобных мате-
матических моделей. У нас в СССР такие модели начали
изучать А. С. Компанеец и В. Ц. Гурович. Наиболее де-
тально такие модели были изучены сотрудниками Ин-
ститута электрохимии АН СССР В. С. Маркиным и
Ю. А. Чизмаджевым. В этих моделях волокно описывалось
кабельным уравнением, а свойства мембраны принимались
более простыми, чем в модели X — X. Именно, считалось,
что как только потенциал мембраны достигает порогового
уровня, этот кусочек мембраны становится на время
источником постоянного тока. В такой модели удалось
получить формулы для скорости импульса. Оказалось,
что и при таком упрощении получаются две скорости —
устойчивая и неустойчивая.
А нельзя ли быстрее?
Скорость ПД — величина очень важная для
организма. Чем выше эта скорость, тем короче время ре-
акции, тем быстрее можно заметить врага или добычу. Так
что можно предположить, что естественный отбор хо-
рошо «поработал» над скоростью нервного проведения.
145
Поэтому поставим теперь перед собой следующий вопрос:
достигла ли природа в результате эволюции какого-то оп-
тимума в отношении скорости ПД или остались скрытые
резервы, которые еще можно использовать?
Посмотрим, нельзя ли было увеличить фактор
безопасности, т. е. отношение A!VP. Для этого надо
было бы либо увеличить Л, либо уменьшить 7Р. Амплиту-
да ПД равна примерно 0,1 В. Почему бы не сделать ее
равной,^ например, 1 В? Оказывается, тут имеются два
препятствия. Во-первых, как вы знаете, амплитуда ПД
зависит от логарифмов концентрации ионов К* и Na+ внут-
ри волокна и вне его. Чтобы иметь ПП в 115 мВ, надо соз-
дать разность концентраций калия внутри и вне волокна
стократную, а для того чтобы иметь ПП в 150 мВ, надо
иметь внутри волокна концентрацию калия в 400 раз вы-
ше, чем снаружи (см. гл. 3, формула (3.2)).
Но за повышение амплитуды ПД приходится платить
затратами энергии ионных насосов и, таким образом, за-
траты растут непропорционально достижениям. А в эво-
люции важна не только быстрота реакции, энергию тоже
надо экономить.
Но если даже не думать об экономии энергии, то ока-
зывается, амплитуду ПД все равно повышать нельзя. Хо-
тя амплитуда ПД всего 0,1 В, но и толщина мембраны
очень мала, поэтому напряженность поля на мембране
очень велика, 0,1 В : 10 нм = 109 В/см. Эта напряжен-
ность весьма близка к пробойной. Если повысить ампли-
туду ПД в несколько раз, мембрана будет пробита * .
Итак,; амплитуду ПД повысить существенно нельзя.
Другим резервом является порог возбуждения: например,
вместо 20 мВ сделать его равным 1 мВ и за счет этого
сильно повысить скорость. Однако, оказывается, и порог
возбуждения существенно понизить нельзя. Выше мы для
простоты считали, что ПП — величина постоянная. Одна-
ко в действительности это вовсе не так. При переходе
ионов калия через мембрану возникают флуктуации —
то немного больше ионов перейдет в наружную среду, то
*) Между прочим, сейчас электрический пробой мембраны
используют для слияния между собой разнородных клеток. Созда-
ние таких гибридных клеток позволяет решать разные задачи цито-
логии, генетики и даже биотехнологии. Сами по себе клетки не сли-
ваются. Раньше основным инструментом для слияния клеток был
специальный вирус — вирус сендай, сейчас с той же целью начали
использовать (в частности, в Институте электрохимии АН СССР)
электрический пробой,
146
во внутреннюю. Из-за этого потенциал на мембране все
время флуктуирует, колеблется. Надо чтобы порог воз-
буждения был заметно выше амплитуды этих флуктуаций,
иначе мы будем слышать шум и видеть мелькания, когда
во внешнем мире все тихо и темно.
Итак, у природы остается единственный путь увеличе-
ния скорости в нервных волокнах — изменение их диа-
метра. Вспомним, что константа длины (а, значит, и ско-
рость) пропорциональна корню квадратному из диаметра
волокна. Значит, чтобы увеличить скорость вдвое, диа-
метр надо увеличить в 4 раза. И тут возникает новое про-
тиворечие в требованиях организма» С одной стороны,^
хорошо иметь быстропроводящие нервные волокна. С дру-
гой стороны, хорошо иметь много нервных волокон, что
позволяет лучше анализировать окружающий мир» Но
много толстых волокон иметь нельзя, они требуют слишком
большого объема. Поэтому приходится решать, какие во-
локна сделать потолще, какие — потоньше. Ясно, что
самыми толстыми должны быть волокна, передающие
жизненно важные сигналы.
У многих животных обнаружены гигантские нервные
волокна, т. е. волокна особенно большого диаметра. Про
гигантский аксон кальмара мы уже много говорили. Но
гигантские волокна обнаружены и у дождевых червей
и у пиявок, и у речного рака, и у других животных.
В чем же роль этих волокон?
У дождевых червей и пиявок их гигантские нервные
волокна управляют продольными мышцами тела, обеспе-
чивая быстрое укорочение тела животного: отдергивание
у пиявки, быстрое втягивание в норку у дождевого чер-
вя. Тут нервные волокна обеспечивают защитные реак-
ции.
У кальмара гигантские нервные волокна управляют
сокращением мантии. К заднему концу мантии идут более
толстые аксоны, а к переднему — несколько более тонкие.
В результате такого устройства сигналы, выходящие из
ганглия кальмара, управляющего его плаванием, прихо-
дят к разным участкам мантии практически одновременно,
обеспечивая мощный выброс воды из мантийной полости
через воронку и быстрое движение кальмара в воде.
Гигантские аксоны речного рака управляют мышцами
хвоста. Возбуждение гигантского аксона вызывает быст-
рое подгибание хвоста — удар хвостом, в результате чего
рак делает резкий рывок назад. Здесь гигантские аксоны
тоже обеспечивают защитную реакцию» Толстые аксоны
147
с такими же функциями обнаружены и у насекомых (та-
ракана, сверчка, саранчи и др.).
Интересно, что у некоторых животных, например
у дождевого червя, диаметр гигантского аксона сильно
меняется, когда червь вытягивается или, наоборот, укора-
чивается. Считая, что скорость проведения ПД зависит
от диаметра волокна, можно было ожидать, что скорость
в гигантском аксоне вытянувшегося дождевого червя ни-
же. Однако измерения скорости, выполненные Т. В. По-
таповой и Л. М. Чайлахяном в 1965 г., показали, что ско-
рость в таком аксоне остается одной и той же независимо
от диаметра. На первый взгляд, это противоречит теоре-
тическим ожиданиям. Однако наша теория кабеля отно-
сится к случаю гладкой мембраны, а у дождевого червя
мембрана волокна собрана в «гармошку», что и позволяет
аксону сильно менять свою длину. Оказывается, для такой
складчатой мембраны теория предсказывает постоянство
скорости. Такая теория была развита Ходжкином в 1954 г.
для мышечных волокон, которые тоже сильно меняют
свою длину при растяжении и сокращении мышцы.
Железные нервы со стеклянными бусами
Мы видели, что в нервных волокнах скорость
проведения достигла своего возможного предела и может
быть увеличена только за счет увеличения диаметра: при
200 мкм скорость составляет 20 м/с, при 2 мм — 60 м/с.
Однако, оказывается, у нас с вами есть нервные волокна
с диаметром всего 20 мкм и скоростью 120 м/с, т. е. в 100 раз
тоньше, чем у кальмара, и со скоростью в 2 раза выше.
Как же природа обошла все те непреодолимые трудности
которые мы так подробно изложили всего несколько стра-
ниц назад? Она использует тут совершенно новую идею.
До сих пор мы рассматривали нервные волокна одно-
родные, т. е. такие, у которых мембрана была всюду оди-
накова. Новый прием природы состоит в том, чтобы сде-
лать волокно составным, из чередующихся кусочков
с разными свойствами, а между этими кусочками ввести
разделение труда: один кусочек будет играть роль кабеля
для передачи сигнала, а второй — роль источника тока.
Теперь сразу отпадают многие трудности, рассмотренные
выше. Например, кусочки кабеля можно покрывать толс-
той изоляцией, ведь в них не надо встраивать ни каналов,)
ни насосов. Такие нервные волокна называют миелино-
вымих или волокнами с перехватами Ранвье»
148
Эти волокна получаются из обычного однородного во-
локна так (рис. 37, а). Длинный участок волокна (пример-
но в сто диаметров) покрывается хорошей изоляцией
(миелином), затем остается небольшой незаизолированный
участок в 2 мкм (его и называют перехват Ранвье), потом
следует новый изолированный участок, новый перехват
Рис. 37. Схема распространения возбуждения по нервному волокну
с перехватами Ранвье: а — строение миелинизированного нервного
волокна, на срезе справа видно, что миелин — это много слоев
мембраны шванновской клетки, которая как изоляция обмоталась
вокруг аксона; б — схема «скачкообразного» проведения импульса,
< ток идет между невозбужденным перехватом 2 и возбужденным
перехватом 1, но практически не течет через миелин
и т, д. Изоляция имеет сопротивление в сотни раз выше,)
чем сопротивление мембраны аксона кальмара, а ем-
кость — в сотни раз меньшую: получается довольно хо-
роший кабель, а перехват с каналами и насосами играет
роль источника тока. Если возбудить один перехват, то
генерируемый им ток без больших потерь (очень мало тока
вытекает наружу) достигнет следующего перехвата в
там вытечет наружу, возбудив следующий перехват
(рис. 37, б). Если даже этот перехват испортить, то ток
вполне достаточен для того, чтобы возбудить следующий
нормальный перехват. Такое проведение возбуждения
называют сальтаторным, т. е. «прыгающим», импульс
быстро перепрыгивает от одного перехвата до другого,;
затрачивая на распространение между перехватами толь-
ко несколько сотых долей миллисекунды (50—70 мкс).,
Местные токи текут в основном через перехваты. Такое
устройство волокна не только обеспечивает высокую ско-
рость проведения^ но и весьма экономно; ионы калия вы-
149
ходят из волокна, а ионы натрия входят в него только в пе-
рехватах Ранвье, составляющих ничтожную часть пло-
щади мембраны волокна, поэтому на выкачивание ионов
и восстановление градиентов тратится очень мало энергии.
Эта идея о сальтаторном проведении была выдвинута
Лилли еще в 1925 г. Он продемонстрировал преимущество
такого способа проведения возбуждения на своей модели
нерва: железной проволоке в азотной кислоте.
Лилли надел на железную проволоку прочно приле-
гающие стеклянные бусы и показал, что при этом скорость
распространения повреждения по проволоке сильно воз-
растает. Однако доказать, что именно так идет проведение
по реальным нервным волокнам позвоночных животных,
было очень трудно, так как у них нет таких «удобных»
толстых волокон, как у кальмара.
Такое доказательство в значительной мере было полу-
чено японскими учеными, которые в 30-х годах научились
выпрепаровывать одиночное миелинизированное волок-
но лягушки и работать с ним. Они показали, что такое
волокно легче всего возбудить, когда раздражающий
электрод находится около перехвата Ранвье, а затем по-
казали, что электрический ток при распространении ПД
вытекает именно через перехваты Ранвье.
В волокнах с перехватами Ранвье природа тоже реша-
ла задачу увеличения скорости проведения. В таких во-
локнах могут меняться два геометрических параметра:
длина участка между перехватами и толщина изоляции.
Ясно, что обе эти величины имеют свое оптимальное зна-
чение. Действительно, если делать расстояние между пе-
рехватами очень маленьким (—>0), то волокно превратится
в обычное безмиелиновое волокно с более низкой ско-
ростью проведения, а если делать расстояние между пе-
рехватами очень большим, то ток от одного перехвата во-
обще не сможет возбудить другой перехват (изоляция
и у миелинизированного волокна далеко не идеальна,
константа длины составляет несколько миллиметров).
Природа выбрала длину межперехватного расстояния
примерно равной ста диаметрам волокна. Это не самая
оптимальная длина, но зато она гарантирует проведение
даже при гибели или исчезновении возбудимости у мемб-
раны, по крайней мере, одного перехвата. Второй геомет-
рический параметр — толщина изоляции. Пусть наруж-
ный диаметр волокна с перехватами Ранвье нам задан..
Как использовать эту возможность? Можно сделать очень
толстую изоляцию и занять ею весь диаметр2 но тогда бу-
150
дет слишком мало места для аксоплазмы, слишком вели-
ко продольное сопротивление, на котором и будет падать
все напряжение; а можно занять все аксоплазмой, но тог-
да сбудет слишком тонкая изоляция. Между этими край-
ностями есть оптимальное отношение толщины изоляции
к толщине всего волокна. Если отношение внутреннего
диаметра участка с миелином к наружному обозначить
через К, то вопрос состоит в том, каково оптимальное зна-
чение К. Эта задача была решена Раштоном в 1951 г. Ока-
залось, что скорость ПД максимальна, когда достигает
максимума величина К2 In (1/А?). Отсюда можно найти
оптимальное значение К (проделайте это упражнение):
Хопт = = 0,607. Когда гистологи измерили зна-
чения К у реальных миелинизированных волокон^ то
нашли, что оно близко к оптимальному.
Почему же беспозвоночные животные не обзавелись
такими же замечательными миелинизированными волокна-
ми, как позвоночные? По-видимому, дело в том, что у них
нет специализированных клеток, которые занимаются
изготовлением изоляции нервных волокон. Действитель-
но, мы только что говорили, что длина межперехватного
участка составляет всегда примерно 100 диаметров во-
локна, а К = 0,6—0,7. Но кто же накладывает на волок-
на изоляцию нужной длины и толщины? Этим занимают-
ся специальные клетки, так называемые шванновские
клетки (их открыл тот самый Шванн, который был од-
ним из создателей клеточной теории). Во время развития
нервной системы шванновская клетка касается аксона
и начинает обматываться вокруг него, как мы обматыва-
ем оголенное место провода изоляционной лентой. Слой
миелина состоит из многих слоев мембраны шванновской
клетки. Но откуда шванновская клетка «знает», что во-
круг более толстого волокна надо обмотаться большее
число раз? что надо обмотать более протяженный межпе-
рехватный участок? На эти вопросы пока нет ответа.
Всегда ли выгодно миелинизированное
волокно?
Мы видели, что волокно с перехватами до-
статочно большого диаметра обеспечивает гораздо более
высокую скорость проведения ПД. При этом скорость
в волокнах с миелином иначе зависит от диаметра волок-
на, чем в волокнах без перехватов. Если в волокнах без
перехватов т’ ~ ]/а, то в волокнах с перехватом v ~ а.
151
Отсюда можно сделать следующий вывод: при уменьшении
диаметра волокон скорость проведения быстрее убывает в
волокнах с перехватами. При каком-то диаметре безмие-
линовые волокна должны проводить быстрее,; чем волокна
с перехватами. Вопрос только в том, при каком именно<
Рис. 38. Зависимость скорости
распространения от диаметра
в миелиновых (1) и в безмие-
линовых (2) волокнах
Ведь может оказаться, что такой критический диаметр не-
разумно мал (например, равен диаметру одной молекулы)^
На рис. 38 приведены графики зависимости скорости от
диаметра в волокнах с перехватами и без них. Видно, что
пересечение прямой и параболы происходит при диамет-
ре волокна порядка 0,2 мкм. Волокна с таким диаметром
описаны в нервной системе, показано, что между перехва-
тами у них всего два слоя мембраны шванновской клет-
ки, так что они действительно почти не отличаются от
безмиелиновых.
ГЛАВА 7
КАК КЛЕТКИ ОБЩАЮТСЯ
МЕЖДУ СОБОЙ
Кто там?
— Это я, почтальон Печкин.
Э. Успенский
Вы прочли название этой главы и перевели
глаза на начало текста. При этом от глаза к мозгу и об-
ратно от мозга к глазным мышцам было передано множе-
ство сигналов.
Надеемся, вы заметили, что мы начали эту главу точь-
в-точь как предыдущую, где мы разобрали, как движутся
эти сигналы по «проводам» — аксонам. Но во всякой сиг-
нализации движение сигнала по проводам — это не са-
моцель, а скорее средство. Перейдем теперь к еще более
существенному вопросу: как принимаются эти сигналы?
Прежде всего, конечно, придется разобраться: а кто,
собственно говоря, принимает эти сигналы, кто является
тем адресатом, которому предназначена информация? Кто
отправитель — вроде бы ясно, по крайней мере, когда
речь идет о передаче информации из внешней среды: это
органы чувств, на которые действуют физические или хи-
мические факторы. Но если мы хотим выражаться более
аккуратно, то надо отметить, что всегда, когда мы гово-
рим «мозг посылает сигнал мышцам глаза» или «раздра-
жающий сетчатку сигнал передается в мозг», все равно
речь идет на самом деле о передаче сигнала от одной клет-
ки к другой клетке. Так что вся сложная работа нервной
системы — регулирование работы внутренних органов,;
управление движениями, будь то простые и неосознавае-
мые движения (например, дыхание) или сложные целена-
правленные движения руки живописца — все это в сущ-
ности основано на «разговоре клеток». Причем все эти «со-
беседники» вовсе не болтуны: каждая клетка выполняет
свою работу, а иногда делает и несколько дел.
Разнообразие функций, выполняемых этим сложным
«коллективом», обеспечивается двумя факторами: тем, как
клетки соединены между собой (так сказать, геометриче-
ской структурой системы), и тем, как устроены «стыки»
между клетками. Этим последним вопросом мы и будем
заниматься в данной главе.?
153
Рис. 39. Рефлекторная дуга (а), нервная клетка и образуемые ей
синаптические окончания (б)
154
Что такое синапс
Простейшая реакция нервной системы на
внешний раздражитель — это рефлекс. Он осуществляет-
ся рефлекторной дугой, строение которой всем хорошо
известно. На схеме рефлекторной дуги (рис, 39) стрелками
обозначен путь сигнала от одной клетки к другой. Этот
путь выглядит так, как будто клетки соединены прово-
лочками. На самом деле «проволочки» — это отростки
клеток, которые входят в рефлекторную дугу. Давайте
присмотримся к более детальному портрету нейронаt эле-
мента рефлекторной дуги (рис. 39, б). Нервный импульс
возникает в теле клетки (об этом подробнее рассказывает-
ся в гл. 9) и распространяется по ее аксону. Аксон закан-
чивается множеством тоненьких веточек, которые называ-
ются терминалями. С этих-то терминалей сигнал и перехо-
дит на другие клетки-адресаты: непосредственно на их
тела или, чаще, на их «приемные отростки» — дендриты.
Аксон может давать до 1 000 терминалей, оканчивающих-
ся на разных клетках. С другой стороны, типичный ней-
рон позвоночного получает от 1000 до 10 000 термина-
лей от других клеток.
Итак, от клетки к клетке сигнал передается через кон-
такт «терминаль — дендрит» или «терминаль — тело клет-
ки». Этот контакт и называется синапсом. Термин «синапс»
был введен в физиологию знаменитым английским ученым
Ч8 Шеррингтоном*
В месте контакта не спайка, а разрыв
Если говорить о техническом устройстве^ то
в месте контакта двух участков электрической схемы ни-
чего особенного не происходит: два проводочка соединя-
ются друг с другом —• проще всего их спаять*
Среди биологов, изучавших нервную систему, долгое
время существовало представление, что мозг — это не-
прерывная сеть, так что все нервные клетки имеют общую
протоплазму, т. е. соединены так, как сосуды кровенос-
ной системы. Считалось, что, например, клетки кожи или
мышц — это отдельные клетки, а мозг — единая сеть.
Но вот в 1875 г. итальянский ученый, профессор гис-
тологии университета в Павии (того самого, где работал
когда-то Вольта) К. Гольджи придумал новый способ ок-
раски клеток — серебрение. При серебрении (по неясной
до сих пор причине) из тысяч лежащих рядом клеток ок-
155
рашивается одна-единственная, но зато полностью, со
всеми своими отростками.
Метод Гольджи сильно помог изучению строения нерв-
ных клеток. Его использование показало, что, несмотря
на то, что в мозгу клетки упакованы чрезвычайно плотно
и их отростки перепутаны, все же каждая клетка четко
отделяется от другой, т. е. мозг, как и другие ткани, со-
стоит из отдельных, не объединенных в общую сеть кле-
ток. Этот вывод был сделан испанским гистологом С. Ра-
мон-и-Кахалем, который тем самым распространил кле-
точную теорию на нервную систему.
Отказ от представления о единой сети означал, что
в нервной системе сигнал переходит с клетки на клетку
не через прямой электрический контакт, как в электри-
ческой схеме, а наоборот, через разрыв.
Когда в биологии стал использоваться электронный
микроскоп, эти представления о наличии разрыва полу-
чили прямое подтверждение. Оказалось, что и терминаль
аксона, и тело клетки-мишени имеют свои собственные
мембраны в месте контакта. Между мембранами имеется
щель, ширина которой составляет примерно 20 нм,
Как же передается сигнал через этот разрыв?
Какие бывают синапсы.
Опять «великий спор»
К тому времени, как было обнаружено нали-
чие таких разрывов в цепи «живой сигнализации» (а это
произошло, напомним, более ста лет назад), было уже до-
статочно очевидно, что в решении вопроса о том, как про-
ходит сигнал через этот разрыв, выбирать приходится
между двумя способами: электрическим и химическим.
В дискуссии о том, какой из этих способов реализуется
в природе, участвовали уже знакомые нам Дюбуа-Реймон
и его ученик Герман. И по этому вопросу их мнения ока-
зались различными. Герман считал, что одна клетка влия-
ет на другую с помощью местных токов, а Дюбуа-Реймон
отдавал предпочтение химическому механизму.
Поясним, в чем существо разногласий, используя сов-
ременные знания о строении синапсов.
Электрическая гипотеза состоит в том, что нервный
импульс, дойдя до терминали клетки-отправителя, вызы-
вает ток в синаптической щели, который, затекая в клет-
ку-адресат^ и вызывает ее возбуждение,
156
Химическая гипотеза может быть изложена так. Им-
пульс, приходящий по аксону, вызывает в конце терми-
нали выделение химического вещества (так называемого
медиатора, т. е. посредника), которое диффундирует через
синаптическую щель и достигает мембраны клетки-мише-
ни (так называемой постсинаптической мембраны)
(рис. 40). В результате меняется проницаемость этой мем-
браны и возникает ток, который течет через синаптиче-
скую щель и через мембрану тела клетки.
Рис. 40. Схематическое изображение работы химического синапса
(а) и электрического синапса (ЭС) (б). Л — терминаль аксона, Б —
пресинаптическая мембрана, В — область возбуждения терми-
нали, Г — постсинаптическая мембрана, Д — нейрон-мишень, Е —
синаптическая щель, М — медиатор в синаптической щели хими-
ческого синапса (ХС). Стрелками показано направление токов
Итак, какими же являются синапсы: «электрическими»
или «химическими»? Это и составляло предмет спораf
третьего по счету в нашей книге.
Первые достаточно прямые эксперименты говорили
в пользу химической гипотезы. Отто Леви, раздражая
блуждающий нерв лягушки^ собрал внеклеточную жид-
157
кость, омывающую сердце, на которое действовал этот
нерв, и подействовал этой жидкостью на сердце другой
лягушки. И вот без всякого раздражения нерва сердце
второй лягушки тоже стало биться реже. Правда, в дан-
ном случае речь шла не о синапсах между двумя нервны-
ми клетками, а о синапсе между нервом и сердечной мыш-
цей. Но, проведя в Казани сходный по идее опыт на нерв-
ном ганглии, А. В. Кибяков показал, что и между нерв-
ными клетками существует химическая передача. Такой
опыт свидетельствовал, что из окончаний разражаемого
нерва выделяется какое-то вещество (медиатор), которое
само по себе может действовать на другие нейроны или
на мышцу.
Итак, химическая теория торжествовала. Некоторые
медиаторы, которые вначале были столь же гипотетичны,
как клеточная мембрана, были выделены в чистом виде
и их химическое строение было определено. С помощью
микроэлектродов, введенных в клетку и аксон, было вы-
яснено, что время, затрачиваемое на выделение медиато-
ра из терминали и его диффузию через щель, составляет
примерно 0,6—0,8 мс у теплокровных животных.
Казалось, что химическая передача в синапсах дока-
зана, а электрическая не находила никаких подтвержде-
ний. Но как можно было найти электрический синапс?
Надо было показать, что есть синапсы, которые не обла-
дают существенными признаками химических.
Первым таким признаком является временная задерж-
ка, те самые 0,8 мс; в случае электрического синапса ждать
задержки не было оснований. Другим отличительным
свойством химических реакций является их сильная тем-
пературная зависимость. Чем выше температура (в опре-
деленных пределах), тем быстрее идет реакция. В случае
электрических синапсов ожидать такой зависимости так-
же не приходилось. Кроме того, при изучении химических
синапсов было показано, что для их работы нужны ионы
кальция в среде, омывающей клетки. Замена кальция на
магний блокировала передачу сигнала через химический
синапс. И вот в 1957 г. с помощью микроэлектродов был
открыт синапс, в котором сигнал передавался практически
без задержки, передача слабо зависела от температуры
и не блокировалась магнием. Был открыт первый чисто
электрический синапс. Это показалось странным исклю-
чением, да и синапс открыли всего лишь у какого-то реч-
ного рака. Но лиха беда начало. Вскоре электрические си-
напсы открыли у рыб^ кошек2 обезьян..f
158
Как мы уже неоднократно видели это и раньше, снова
оказался прав Ходжа Насреддин, утверждая, что оба
спорщика правы» Сейчас четко показано, что существуют
и химические, и электрические синапсы,
Электрические синапсы существуют,
но их не может быть
Полученные в эксперименте доказательства
передачи сигнала через синапс чисто электрическим пу-
тем вступили в противоречие с существовавшими на тот
момент теоретическими расчетами. Сложилась парадок-
сальная ситуация: электрические синапсы есть, сущест-
вуют, их существование доказано прямыми эксперимента-
ми, а расчеты показывают,; что они не могут работать!
Действительно, как показало серебрение^ а потом
и электронная микроскопия, непосредственного контакта
между клетками все-таки нет: клетки разделены щелью,,
заполненной жидкостью, через которую ток пойдет не
только в клетку-мишень, но и вытечет куда-то «на сторо-
ну». Расчеты, проведенные в разных лабораториях мира,;
дали обескураживающие результаты. Оказалось, что при
реальных экспериментально известных значениях сопро-
тивлений мембран (которые были получены, конечно, не
для области синапса, а для аксона или тела клетки),;
межклеточной среды и размеров синаптических контактов
и щелей в клетку-мишень будет затекать не более 0,01 %
всего тока, вытекающего из терминали. Этот ток к тому же
растечется по всему телу клетки и не сможет создать изме-
нения ее потенциала, необходимого для возбуждения или
сопоставимого с реально измеряемыми изменениями.
За решение этой задачи в 1965 г. взялась группа мо-
лодых сотрудников Теоретического отдела Института био-
физики АН СССР.
Первая их идея состояла в том, что в синапсе и сопро-
тивление мембраны, и сопротивление межклеточного ве-
щества могут быть другими, отличаться от сопротивления
клеточной мембраны и внеклеточной среды. Ведь извест-
ные значения этих параметров были получены совсем на
других объектах. Так что в расчетах, о которых говори-
лось выше, достоверными можно было считать только раз-
меры синаптической области (диаметр около 1 мкм и ши-
рина щели порядка 5 нм). Да и методы расчетов были
весьма приближенными.
159
Для проверки выдвинутой гипотезы надо было повто-
рить расчеты для разных значений этих неизвестных пара-
метров; кроме того, требовалось усовершенствовать и сам
метод расчета, чего никак не удавалось сделать. Тогда
решили сделать аналоговую модель синапса (подобно то-
му как Дюбуа-Реймон делал для проверки гипотезы элект-
ромоторных молекул модель мышцы из гальванических
элементов).
Эту работу поручили дипломнику, который паял
схемы, все время перепаивая их для новых значений
параметров, подбирая сопротивления, причем сопро-
тивлений с нужными параметрами, как обычно бывает,
в лаборатории не оказывалось, и приходилось соединять
несколько имеющихся. Канители было много и работа
продвигалась медленно. А тут еще пришло лето и отделу
предложили выделить двух сотрудников для поездки на
месяц в колхоз. Никому не хотелось на столь долгий срок
прерывать работу, и сотрудники предложили другой вы-
ход: поехать всем вместе, но зато на короткий срок. Жаль
было только, что в полевых условиях нельзя ставить экс-
перименты и паять новые схемы.
Нужда научит калачи есть
Но этот отрыв от паяльника и сопротивле-
ний оказал благотворное действие. Единственными до-
ступными орудиями научного труда тут были карандаш
и бумага. И вот Володе Смолянинову удалось заменить
физическую модель математической: описать связь всех
величин, характеризующих синапс, математическими
функциями. Необходимый точный метод расчета был най-
ден.
Вернувшись в лабораторию, засели за математические
таблицы^ линейки и прочие математические приборы того
времени (события происходили в 60-х годах). Результаты
работы на такой математической модели казались, на
первый взгляд, совершенцо невероятными.
Оказалось, что, хотя и существует некоторое опти-
мальное сопротивление мембраны в синапсе, при котором
в клетку-мишень попадала самая большая часть тока,
все равно эффективность такого синапса была несравни-
ма с реальной. Если сопротивление мембраны бралось
ниже оптимального, то увеличивалась утечка тока через
щель, если сопротивление увеличивалось, то падала об-
щая сила тока2 вытекающего из терминали*
160
Другой результат был уже совсем странным. По модели
получалось, что улучшить связь между клетками можно,
если... их лучше изолировать друг от друга! Через синапс,
щель которого заполнена веществом с высоким удельным
сопротивлением (например, липидом), терминаль может
возбудить клетку-мишень, если только синапс имеет под-
ходящие размеры: диаметр в несколько микрометров и,
как обычно, тонкую щель. Этот результат, немного поду-
мав, легко понять и на качественном уровне. Высокое соп-
ротивление внутрищелевого вещества будет мало мешать
току, текущему из терминали в клетку, так как в этом
направлении его слой тонок, но зато будет эффективно
препятствовать вытеканию тока через щель, так как
в этом направлении сопротивление изолирующего слоя
велико. Дело, как видите, опять оказалось в геометрии.
Беда только, что электрические синапсы с щелью^ запол-
ненной жиром, не были известны в природе^
Отрицательный результат — тоже результат
Модель доказала, что электрический си-
напс (ЭС) не может работать ни при каком сопротивлении
мембраны, одинаковом на всей поверхности синапса. И тог-
да был сделан следующий шаг в единственном возможном
направлении: предположили, что мембрана синапса не-
однородна по сопротивлению — она имеет «окна» с низ-
ким сопротивлением в центральных областях и высокое
сопротивление у края синапса.
Эта гипотеза оказалась верной. С усовершенствовани-
ем методов электронной микроскопии в разных лаборато-
риях мира было обнаружено, что, действительно, в ЭС
используется неоднородная мембрана, но ее неоднород-
ность создается особым способом (который не покажется,
возможно, столь уже неожиданным читателю): с помощью
специального белка — коннектина. Молекулы этого бел-
ка имеются и в мембране терминали, и в мембране клет-
ки-мишени и образуют там особую структуру — коннек-
сон, состоящую из шести молекул и имеющую внутри ка-
нал. Когда аксон дорастает до клетки-мишени, два кон-
нексона соседних мембран соединяются друг с другом
и в каждом из них открывается отверстие — канал, ко-
торый до того закрыт (этот процесс подобен открыванию
люков при стыковке). Этот канал представляет низкое со-
противление для прохождения ионов. В ЭС много коннек-
сонов. Таким образом, ЭС связывает две клетки множе-
6 М. Б. Беркинблит, Е. Г. Глаголева
161
Рис. 41, Устройство электрического синапса и гигантский аксон
дождевого червя g электрическими синапсами: а — строение элект-
трического синапса (Ма — мембрана аксона, Мк — мембрана клет-
ки-мишени, показаны коннексоны, образованные двумя молеку-
лами, находящимися в каждой из этих мембран, К — канал кон-
нексонов); б — коннексон, состоящий из субъединиц (канал закрыт);
в — смещение субъединиц приводит к открыванию канала; г —
система нервных клеток дождевого червя, образующих гигантский
аксон (Г — тела нервных клеток, А — их аксоны, К — коннексоны,
ЭС — электрические синапсы)
ством тоненьких трубочек диаметром около 1—1,5 нм,;
проходящих внутри белковых молекул (рис. 41, а).
Сделаем небольшое отступление в сторону. Какую же
роль сыграло в данном случае математическое моделиро-
вание синапса? Ситуация тут достаточно парадоксальная,
162
Если бы удалось найти параметры, соответствующие пе-
редаче тока в реальных синапсах, и модель удовлетворя-
ла бы экспериментальным данным, то результат был бы
не столь ценен. Он только означал бы, что ЭС может быть
устроен так, как предполагалось в начале, но он мог быть
устроен и иначе. Возможно, существуют десятки моделей,
которые одинаково хорошо соответствуют эксперименту.
Но отрицательный результат моделирования является аб-
солютным. Он строго говорит, что система не может быть
устроена так, как мы предполагаем, и следует искать, как
же она устроена на самом деле.
Замечательно, что и второй результат исследования
ЭС на математической модели, несмотря на свою кажу-
щуюся несообразность, также нашел экспериментальное
подтверждение. Оказалось, что природа действительно
использует заполнение щели изолятором. У птиц в цепоч-
ке нейронов, обеспечивающих реакцию зрачка на свет,
был обнаружен очень большой но диаметру ЭС (площадью
около 1000 мкм2), щель которого заполнена миелином,
т. е. изолятором. Для такого большого синапса этот спо-
соб весьма эффективен, как и предсказывала модель. Та-
ким образом, в природе действительно используются и за-
полнение синаптической щели изолятором^ и неоднород-
ные мембраны.
Химический синапе
В отличие от электрических синапсов, кото-
рые так или иначе служат для образования непрерывного
пути для электрического сигнала, химические синапсы —
это настоящие «разрывы»: электрическому сигналу «на-
прямую» через химический синапс не пройти.
Рассмотрим для примера работу нервно-мышечного
синапса. Как вы знаете, мембрана мышечного волокна
возбудима: если прикоснуться к ней электродом, мышца
сократится. Оказывается, существует парадоксальное иск-
лючение: именно в том месте мембраны, через которое
приходит сигнал* от мотонейрона к сокращению, мышца
не чувствительна к электрическому воздействию! Значит,
мотонейрон воздействует на мышцу совершенно иным
способом: в его терминали электрический сигнал преобра-
зуется в химический.
Общую схему работы химического синапса мы уже опи-
сывали. Когда нервный импульс доходит до терминали
мотонейрона^ под его воздействием в синаптическую щель
6* 163
выделяется особое вещество — медиатор. Для нервно-мы-
шечного синапса позвоночных таким медиатором служит
ацетилхолин. Вот к этому-то веществу и чувствительна
постсинаптическая мембрана. Стоит только поднести к об-
ласти синапса пипетку с раствором, содержащим ацетил-
холин^ и вывести немного ацетилхолина наружу, как
в мышечном волокне возникает изменение потенциала (де-
поляризация),; тем более сильное, чем больше ацетилхо-
лина выведено из пипетки. Если эти изменения потенциа-
ла достигают порога возбуждения электровозбудимой
мембраны, то в ней возникает ПД и мышечное волокно
сокращается*
Выделение медиатора
В 1950 г. английские ученые Фетт и Катц *),,
изучая работу нервно-мышечного синапса лягушки, об-
наружили,; что без всякого действия на нерв в мышце в об-
ласти постсинаптической мембраны сами по себе через
случайные промежутки времени возникают небольшие
колебания потенциала,; амплитудой примерно в 0,5 мВ,;
которые они назвали «миниатюрные потенциалы». Когда
Фетт и Катц подействовали на синапс ядом (ботулином),;
о котором было известно, что он блокирует выделение
ацетилхолина из терминалей, миниатюрные потенциалы
исчезли.
Получалось, что в химическом синапсе медиатор выде-
ляется и в покое, но изредка и небольшими определенными
порциями («квантами»).
К тому времени электронная микроскопия уже доста-
точно много знала об устройстве синапсов. В частности,,
было известно, что в пресинаптических окончаниях име-
ются какие-то пузырьки диаметром примерно 500 нм.
Иногда удавалось увидеть, что мембрана этих пузырьков
сливается с мембраной терминали. Катц выдвинул гипо-
тезу^ что миниатюрные потенциалы возникают тогда, ког-
да такой пузырек («везикула») слипается с пресинаптиче-
ской мембраной, разрывается и выбрасывает в синаптиче-
скую щель свой запас ацетилхолина. Частично эту гипо-
тезу удалось проверить цитологам: они сумели выделить
везикулы и показать^ что в них действительно содержится
♦) Об этих исследованиях можно прочитать в книге: Катц В,
Нерв, мышца и синапс.— М.: Мир, 1968г
164
ацетилхолин (примерно 10 000 молекул в одном
зырьке).
Итак, в покое, когда мотонейрон не возбужден, в си-
напсе существует небольшой электрический шум: за счет
случайного выброса ацетилхолина возникают миниатюр-
ные потенциалы; средняя частота их — примерно один
в секунду. Но амплитуда этих одиночных потенциалов
слишком мала (0,5 мВ), и поэтому мышечное волокно не
возбуждается (вспомним, что порог возбуждения равен
15—20 мВ). Когда же к терминали мотонейрона подхо-
дит ПД, то происходит массовое опорожнение везикул:
за 0,1 мс лопаются примерно 100 пузырьков (т. е. примерно
в миллион раз больше, чем в покое). И все они выбрасы-
вают свой ацетилхолин в синаптическую щель. В резуль-
тате в мышечном волокне возникает деполяризация в 30—
50 мВ, что гораздо выше порогового значения.
Естественно было посмотреть, как влияет изменение
МП терминали на частоту миниатюрных потенциалов, т. е.
на частоту выброса ацетилхолина. Оказалось, что при
деполяризации терминали частота выделения везикул воз-
растает экспоненциально (в 10 раз при деполяризации
на 15 мВ). Это объясняет, почему под действием нервного
импульса выделяется так много ацетилхолина.
Но решение одного вопроса, как всегда, порождает
новые: почему деполяризация приводит к тому, что вези-
кулы начинают чаще «прилипать» к мембране?
Целым рядом экспериментов было выяснено, что «ви-
новником» возрастания частоты выделения медиатора яв-
ляются ионы кальция. Оказалось, что в пресинаптической
терминали имеются потенциалзависимые кальциевые ка-
налы, которые открываются при деполяризации термина-
ли, и кальций входит в терминаль.
Этот процесс был очень красиво показан Ллинасом
и др. в 1972 г. на крупном синапсе кальмара, где имеется
возможность вводить разные вещества в терминаль. Есть
такое вещество — экворин (белок, выделяемый из некото-
рых медуз). При соприкосновении с ионами кальция он
дает световую вспышку. Ллинас и его сотрудники ввели
экворин в пресинаптическую терминаль. Когда к синапсу
приходил нервный импульс, пресинаптическое окончание
вспыхивало, показывая, что внутрь него вошли ионы каль-
ция. Но ученые не ограничились этой красивой иллюстра-
цией уже известных к тому моменту фактов и поставили
новый опыт, который дал важный результат. Они ввели
^через микроэлектрод внутрь окончания ионы кальция,
465
и тут же без всякой деполяризации началось выделение
медиатора.
Итак, оказывается, что причиной выделения медиато-
ра является не деполяризация сама по себе, а то, что де-
поляризация открывает дорогу кальцию внутрь термина-
ли. И если убрать из наружной среды кальций, то,; как
показали эксперименты, химический синапс не сработает
ни при какой деполяризации и даже миниатюрные потен-
циалы исчезнут.
Но есть еще один очень важный вопрос: почему после
попадания кальция внутрь терминали медиатор выделя-
ется только очень короткое время^ а потом его выделение
Рис. 42. Строение химического синапса и эквивалентная схема,
поясняющая механизм его действия: а — Слева терминаль аксона
(Л) и пресинаптическая мембрана с кальциевыми каналами (Г);
внутри синаптического утолщения видны везикулы, наполненные
медиатором (5), и митохондрии (Б). Е — синаптическая щель,
разделяющая синаптическое утолщение и клетку-мишень. В пост-
синаптическую мембрану (Д) встроены молекулы белка-рецептора,
каналы которого открываются при действии медиатора, б — Экви-
валентная электрическая схема клетки-мишени; С — емкость мемб-
раны, £общ — проводимость несинаптической мембраны, V — источ-
ник э.д.с., создающий ПП, gc — проводимость постсинаптической
мембраны, которая сильно растет при действии медиатора
прекращается? Кальциевые каналы терминали открыва-
ются лишь на очень короткое время, но за это время кон-
центрация кальция в терминали повышается в тысячи
раз. Куда же девается этот кальций? Оказывается, он
быстро выкачивается наружу кальциевым насосом и по-
166
глощается митохондриями, которые всегда присутствуют
в синаптических окончаниях (рис. 42, а).
После этих работ был выяснен механизм действия не-
которых ядов. Например, из яда паука каракурта был вы-
делен белок — латротоксин, который по существу пред-
ставляет собой незакрывающиеся кальциевые каналы.
Он встраивается в пресинаптическую мембрану и начинает
пропускать в терминаль кальций. В результате запасы
ацетилхолина в терминали полностью истощаются и нерв-
ная система не может вызвать сокращения мышц.
Но что же делает кальций, попав внутрь терминали?
На этот вопрос пока нет однозначного ответа. Возможно,
кальций просто экранирует отрицательные заряды мемб-
раны везикул и мембраны терминали, что позволяет им
слиться; возможно, кальций вызывает сокращение «внут-
риклеточных мышц», которые подтягивают пузырек
к мембране (в пресинаптическом окончании обнаружены
сократительные белки актин и миозин); а может быть,
механизм действия кальция окажется совсем иным и
неожиданным.
Работа постсинаптической мембраны
Что же делает ацетилхолин с постсинаптиче-
ской мембраной, к которой он диффундирует? В покое
удельное сопротивление постсинаптической мембраны рав-
но примерно 3 000 Ом «см2, но при действии ацетилхоли-
на оно снижается до 1 Ом*см2. Это сразу наводит на мысль,
что ацетилхолин открывает какие-то каналы в постсинап-
тической мембране. И это предположение верно.
В постсинаптической мембране находятся каналы, «во-
рота» которых управляются не МП, а ацетилхолином*
И канал, и ворота являются частями особой сложно уст-
роенной белковой молекулы (ее называют холинорецепто-
ром). Конец такой молекулы, торчащий из мембраны
наружу, «узнает» молекулы ацетилхолина. Если с ним свя-
зываются две молекулы- ацетилхолина, то открывается ка-
нал, через который могут проходить ионы К+ и Na+. Ины-
ми словами, в мембране открывается «электрическая
дырка» со всеми вытекающими последствиями, а именно
деполяризацией мембраны. Таким образом, постсинапти-
ческая мембрана преобразует химический сигнал (дейст-
вие ацетилхолина) вновь в электрический сигнал — де-
поляризацию мембраны.
167
Возникает естественный вопрос: почему эта деполяри-
зация исчезает? Ведь действие химического синапса обыч-
но кратковременно. Значит, ацетилхолин, открывающий
каналы в постсинаптической мембране, куда-то девается.
Оказывается, медиатор связывается с холинорецептором
очень непрочно: открыв ворота канала, он отрывается
и вновь уходит в синаптическую щель. А в щели имеется
особый фермент (ацетилхолинэстераза), который его раз-
рушает. Так что медиатор — вещество очень «скромное»:
сделав свое дело, он тут же уходит. Именно это его свой-
ство обеспечивает кратковременность действия химическо-
го синапса.
Есть и другие вещества, которые тоже могут связывать-
ся с холинорецептором, но делают это лучше, чем ацетил-
холин. Например, растительный яд кураре, которым ин-
дейцы смазывали свои стрелы, попав в организм, прочно
связывается с холинорецепторами мышцы и занимает «по-
садочные площадки», предназначенные для ацетилхоли-
на. В результате ацетилхолин не может открыть ворота
каналов и любые движения (в том числе и дыхательные)
становятся невозможными. На этом же основано и дейст-
вие некоторых змеиных ядов; так, в частности, действуют
яды змей семейства аспидовых. Интересно, что и у расте-
ний, и у змей в ходе эволюции вырабатывались яды со
сходным механизмом действия. Вещества, сходные с ку-
раре, релаксанты, сейчас используются в медицине во
время операций: они расслабляют мышцы. (Больной при
этом, конечно, находится под наркозом и при искусствен-
ном дыхании, но не может совершить случайного движения
и помешать хирургу.)
Сейчас известно довольно много деталей об устройстве
и работе «молекулярной машины» — холинорецептора.
Холинорецептор состоит из пяти субъединиц — участков.
Изучение аминокислотных последовательностей этих еди-
ниц показало, что все они произошли в результате моди-
фикации одного и того же гена. Соединяясь между собой,;
эти субъединицы образуют в центре канал. (Вспомните,;
что коннексоны электрического синапса состоят из 6 субъ-
единиц, которые тоже образуют канал.) Этот канал имеет
примерно квадратное сечение со стороной квадрата
0,65 нм. Он не различает ионов К+ и Na+, но не пропускает
анионы. Ворота канала открываются на случайные про-
межутки времени (при ПП и 20 °C в среднем на 1 мс).>
Проводимость такого канала равна примерно 3*10-11С^
Длина холинорецептора в 5—6 раз превышает толщину
168
мембраны, так что белок сильно торчит из нее наружу
и внутрь клетки. Ацетилхолин, выброшенный одним пу-
зырьком, открывает около 2 000 каналов^
Какие синапсы лучше — электрические
или химические?
Из нашего рассказа вы поняли, что электри-
ческие синапсы (ЭС) устроены просто, химические (ХС) —
посложней, тем более,: что мы до сих пор разобрали толь-
ко один из многих видов ХС — нервно-мышечный. Как же
осуществляется разделение труда между этими двумя ви-
дами синапсов? Обычно в организме они используются
в таких нервных цепях, где их свойства оказываются наи-
более полезными.
Например, отличительной особенностью ЭС является
быстродействие (в ХС заметное время тратится на выделе-
ние медиатора и его диффузию в щель). Естественно,, что
ЭС находятся в тех цепях, которые обслуживают срочные
реакции организма: отдергивание тела, отпрыгивание,; убе-
гание.
Например, у дождевых червей вдоль всего тела прохо-
дят гигантские «аксоны» (их диаметр достигает 60 мкм,
что очень много для дождевого червя). Как видите,, они
не такие гигантские, как у кальмара, да и устроены они
иначе. На самом деле это не аксон, т. е. не отросток одной
клетки. Этот «аксон» состоит из множества цилиндриче-
ских кусочков. В каждом сегменте тела есть нервная
клетка, которая отращивает такой кусочек; затем торце-
вые мембраны этих цилиндров соединяются коннексона-
ми, так что получается кабель с перегородками, прони-
занными каналами коннексонов (рис. 41, в). В результате
импульс бежит по этому составному аксону как по обыч-
ному толстому нервному волокну. Эти волокна вызывают
быстрое сокращение тела червя, обеспечивая реакции от-
дергивания от раздражителя или быстрого втягивания
в норку. При химических синапсах эта реакция занимала
бы несколько десятых долей секунды: ведь задержка меж-
ду сегментами в ХС холоднокровного составляет несколь-
ко миллисекунд, а сегментов может быть несколько десят-
ков и даже сотня; задержка на Э(3 составляет всего
0,01 мс; ясно, что тут за счет ЭС обеспечивается жизнен-
но важная экономия времени. Такие же «аксоны» есть и у
речного рака: когда опасность грозит спереди, они обеспе-
чивают быстрое подгибание брюшка (эта реакция называ-
169
ется «удар хвостом»), что отбрасывает рака назад, по-
дальше от опасности. ЭС имеются в системах спасения
бегством у некоторых медуз, моллюсков, рыб и других
животных.
Вторая характерная особенность ЭС состоит в том,,
что они пропускают сигнал в обе стороны — они симмет-
ричны *). Это может способствовать синхронизации, т. е.
одновременности возбуждения нейронов, связанных ЭС.
Такие синхронизирующие системы довольно распростра-
нены в живой природе. В простейшем случае они состоят
всего из двух клеток; связь этих клеток через ЭС приводит
к тому, что при возбуждении одного из нейронов практи-
чески одновременно возникает импульс и во втором. На-
пример, у электрического сома такая система из двух
нейронов обеспечивает одновременность разряда электри-
ческих органов обоих сторон тела. У другой рыбы, которая
умеет, сокращая плавательный пузырь, издавать звуки,
напоминающие кваканье (за это ее называют рыба-жаба),
все клетки, управляющие мышцами плавательного пузы-
ря (их в этом случае не две, а несколько десятков), связа-
ны ЭС, что позволяет им возбуждаться практически одно-
временно.
Электрические синапсы довольно «модны» у беспозво-
ночных и низших позвоночных (круглоротых и рыб).
У высших позвоночных большинство синапсов — химиче-
ские. Использование в организмах ХС связано с их ха-
рактерной особенностью — преобразованием электриче-
ского сигнала в химический и обратно. В них одинаковые
электрические импульсы могут вызывать выделение са-
мых разных веществ-медиаторов; например, у кольчатых
червей в нервно-мышечных синапсах используется тот же
ацетилхолин, что и у позвоночных, а у членистоногих
(например, насекомых), которые произошли в ходе эво-
люции от кольчатых червей, используется в таких синап-
сах совсем другой медиатор — глутамат. С другой сторо-
ны, в ХС один и тот же медиатор, действуя на разные клет-
ки-мишени, может открывать совершенно разные каналы.
Например, ацетилхолин в одних случаях открывает чис-
то калиевые или чисто натриевые каналы, в других —
.*) Бывают, впрочем, ЭС, образованные мембранами с выпрям-
ляющими свойствами, они пропускают сигнал только в одном на-
правлении; волею случая первый открытый в 1957 г. ЭС оказался
именно таким, но потом выяснилось, что выпрямляющие ЭС отно-
сительно редки. Для полноты картины заметим, что бывают и сим-
метричные ХС, в которых везикулы имеются по обе стороны щели.
170
каналы, пропускающие и калий, и натрий, в третьих —
каналы, пропускающие только хлор, и т. д. Поэтому ХС
может выполнять более сложные функции, чем ЭС. Так,
одно из самых важных явлений в нейрофизиологии —
явление торможения — практически всегда осуществляет-
ся ХС *).
Химический синапс и торможение
Известно, что человек волевым усилием мо-
жет остановить безусловный рефлекс. Существует, на-
пример, защитный рефлекс отдергивания руки, когда ру-
ка касается горячего предмета, чего-то острого и т. д.
Однако известен пример римского героя Сцеволы, который
положил руку на горящую жаровню и не отдернул ее,
преодолев боль. Каждый из нас затормаживает рефлекс
отдергивания, когда берут кровь на анализ. В менее яв-
ной форме торможение проявляется почти во всяком по-
веденческом акте, в том числе и в непроизвольных движе-
ниях (например, когда мышцы-сгибатели напрягаются,,
мып цы-разгибатели автоматически затормаживаются),
торможение участвует и в регуляции работы внутренних
органов (например, у человека во сне реже бьется сердце).
Что же такое торможение? В чем его причина? По этому
поводу в литературе до сих пор можно встретить самые
фантастические утверждения. Даже в школьном учебнике
физиологии говорится, что торможение в данном месте
нервной системы вызывается тем, что сильно возбужда-
ется соседний участок. Так что же такое торможение на
самом деле?
Прежде всего подчеркнем, что под торможением по-
нимается активный процесс, а не просто отсутствие воз-
буждения. Заторможенной называют клетку, в которой
какой-то механизм противодействует возбуждению. Вспом-
нив, что такое возбуждение, легко понять, что это за ме-
ханизм. Мы знаем, что нервная клетка или волокно воз-
буждаются тогда, когда деполяризуется их мембрана
(т. е. МП сдвигается к нулю от ПП). Значит, противо-
положный сдвиг мембранного потенциала (например, от
—75 до —80 мВ) и будет торможением: такую клетку
*) С помощью больших ухищрений можно сделать тормозный
ЭС; такие синапсы, действительно, обнаружены в продолговатом
мозге рыб; но таких синапсов нельзя иметь на клетке-мишени много,
и их строение очень сложно.
171
будет труднее возбудить, так как потребуется более силь-
ное воздействие^ чтобы довести ее потенциал до порого-
вого значения.
Как можно гиперполяризовать, т. е. затормозить клет-
ку? Вспомнив опять, «что снаружи, что внутри» (см.
гл« 3), легко сообразить, что для этого надо либо усили-
вать проницаемость мембран для ионов калия, которые
будут выносить наружу положительный заряд, либо уве-
личивать проницаемость мембраны для ионов хлора,
которых много в наружной среде. Перемещение отрица-
тельных ионов хлора внутрь клетки даст тот же эффект,;
что и перемещение положительных ионов калия наружу.
В нервной системе встречаются тормозные синапсы,
использующие и калий, и хлор. Как правило, при этом
используются особые тормозные медиаторы, которые
управляют воротами соответствующих каналов. Напри-
мер, у позвоночных есть два тормозных медиатора —
аминокислота глицин и гамма-аминомасляная кислота,
которые, в основном, открывают хлорные каналы мембра-
ны« (Действие такого сильного яда, как стрихнин, осно-
вано на том, что он связывается с рецепторами глицина
и блокирует многие тормозные синапсы спинного мозга;
это приводит к развитию судорожных сокращений мышц
и гибели из-за остановки дыхания.) Интересно, что
гамма-аминомасляная кислота является тормозным медиа-
тором не только у позвоночных, но и у членистоногих.
Существуют и другие способы торможения. Например,;
известно, что блуждающий нерв тормозит деятельность
сердца. В начале главы мы рассказывали, как О. Леви
на этой системе впервые доказал существование ХС.
Блуждающий нерв выделяет ацетилхолин, точно такой
же, как тот, который возбуждает скелетные мышцы, но
сердце он тормозит. Оказывается, в случае сердца ацетил-
холин действует не прямо на ворота каналов. Он садится
на особые рецепторы, активация которых меняет мета-
болизм сердечных клеток. В результате ряда внутрикле-
точных реакций возникает особое вещество (цГМФ),
которое и открывает изнутри ворота калиевых каналов.
Такие синапсы называют «метаболическими».
Итак, мы видели, что в ХС с помощью разных медиа-
торов могут открываться те или иные каналы клеточной
мембраны. Если при этом возникает деполяризация —
синапс возбуждающий, если возникает гиперполяриза-
ция — синапс тормозный,
172
О величине синаптических потенциалов
Мы с вами рассмотрели принципы работы
возбуждающих и тормозных синапсов. Посмотрим теперь,;
как можно оценить количественно действие химических
синапсов.
Из рассказа о потенциале покоя и потенциале дейст-
вия вы знаете, что для каждого иона существует свой
равновесный потенциал, при котором число ионов, вхо-
дящих в клетку и выходящих из клетки, становится оди-
наковым. В покое для ионов калия равновесный потен-
циал равен примерно —80 мВ; при возбуждении, когда
в основном открываются натриевые каналы, равновесный
потенциал для натрия равен примерно +40 мВ. У пост-
синаптической мембраны тоже есть свой равновесный
потенциал. Его величина зависит от того, какие ионы
пропускает эта мембрана. Например, постсинаптическая
мембрана возбуждающего синапса, каналы которой в рав-
ной мере пропускают и калий, и натрий, имеет равно-
весный потенциал, лежащий ровно посередине между
таковыми для калия и натрия: (—80 + 40)/2 = —20 мВ.
А у тормозного синапса, пропускающего ионы хлора,;
равновесный потенциал равен примерно —80 мВ,
Пока медиатор не подействовал на постсинаптическую
мембрану, ее каналы закрыты и ток через нее не течет.
Под действием медиатора открываются каналы для тех
или иных ионов и они будут идти через постсинаптическую
мембрану тем эффективнее, чем дальше отстоит ее потен-
циал от равновесного. Можно сказать, что в области пост-
синаптической мембраны включается источник э.д.с. ве-
личиной (Ес — У), где Vc — равновесный потенциал пост-
синаптической мембраны, а V — мембранный потенциал
клетки в данный момент. Если мембранный потенциал
равен равновесному для данного синапса, то ток через
синапс не пойдет.
Представим теперь эквивалентную электрическую схе-
му нейрона с действующим на него синапсом (рис. 42, б).
При выделении медиатора будет течь синаптический ток,;
сила которого по закону Ома для всей цепи равна
1 = —Vc ~-У— .
^ОбЩ
Здесь 2?общ — сопротивление всей клеточной мембраны,
а /?с ь— сопротивление синапса (т. е. постсинаптической
мембраны и синаптической щели), Этот ток создает па-
173
сопротивлении внесинаптическои
к — V
-р— • #общ* (7.2)
общ * с
называют постсинаптическим по-
дение напряжения на
мембраны:
АЕ =
Этот сдвиг потенциала
тенциалом (ПСП). Если синапс возбуждающий, сдвиг
потенциала называют возбуждающим постсинаптическим
потенциалом (ВПСП), если же синапс тормозный, то сдвиг
потенциала называют тормозным постсинаптическим по-
тенциалом (ТПСП)
Давайте попробуем оценить величину ВПСП, созда-
ваемого одним синапсом на мотонейроне *). Равно-
весный потенциал этого синапса лежит в области —20 мВ.
Сопротивление мембраны мотонейрона равно примерно
107 Ом. Сопротивление среднего синапса площадью
в 1 мкм2 равно примерно 1012 Ом. Отсюда А7 =
[— 20 — (—80)] • 107 60 о
— -------------~ "УоГ ~ 10 3 мВ. Мы видим, что один
синапс создает крайне малый сдвиг потенциала, ведь по-
рог возбуждения 10—15 мВ. Значит, чтобы возбудить мото-
нейрон, на него должно подействовать много синапсов.
Наша формула (7.2) годится в том случае, если синап-
тический ток имеет достаточно большую длительность,
тогда все емкости успевают зарядиться и их можно не
учитывать. Для кратковременных синаптических токов
надо учитывать и емкость мембраны.
Устройства, подобные синапсам
Оказывается, что устройства, подобные си-
напсам, как электрическим, так и химическим, играют
важную роль в жизнедеятельности самых разных тканей
и органов.
Например, клетки сердца у самых разных животных
связаны каналами из того же белка коннектина, который
образует каналы в ЭС. (В этом случае область контакта
клеток называют высокопроницаемым контактом, а не
синапсом; синапс — это контакт, хотя бы одним из участ-
ников которого является нервная клетка.) В результате
электрический сигнал распространяется по сердечной
мышце от клетки к клетке за счет тех же местных токов^
♦) Мотонейрон — это двигательный нейрон, т. е. такой,
который управляет сокращением мышцы,
174
что и по гигантскому «аксону» червя» Связаны коннексо-
нами между собой и клетки гладких мышц разных внут-
ренних органов (желудка,; кишечника^ стенок кровенос-
ных сосудов и др.).
Это еще не самое удивительное: все это возбудимые
ткани, в которых должен распространяться электрический
сигнал. Но вот уж совсем удивительным было открытие
в середине 60-х годов американским биологом Левенш-
тейном и сотрудниками Лаборатории молекулярной био-
логии им. А. Н. Белозерского МГУ того, что и невозбу-
димые клетки разных органов (клетки эпителия,; клетки
желез, клетки печени и др.) тоже связаны высокопро-
ницаемыми контактами. Фактически почти все ткани
организма представляют собой не скопление одиночных
клеток, а единый коллектив, в котором клетки могут
обмениваться через каналы высокопроницаемых контактов
разнообразными молекулами. Благодаря этому в тканях
возможна своеобразная «клеточная взаимопомощь»» На-
пример, если в какой-то клетке плохо работают насосы,;
ее соседи через каналы высокопроницаемых контактов
«делятся» с ней своим ионным запасом и поддерживают
ее потенциал покоя.
При изучении высокопроницаемых контактов было вы-
яснено, что коннексоны являются не стабильными труб-
ками, а динамическими структурами: каналы, образуе-
мые коннектином, могут открываться и закрываться под
действием разных факторов (концентрации ионов кальция
и водорода или разности потенциалов между клетками,
соединенными каналами). Сейчас выяснен молекулярный
механизм такого закрывания каналов. Коннексон состоит
из 6 субъединиц, которые могут двигаться относительно
друг друга (см. рис. 41, б), при этом отверстие может
закрываться; это устройство очень похоже на устройство
диафрагмы фотоаппарата с подвижными лепестками*
Зачем же нужно это свойство коннексонов? Рассмотрим
один пример. Обычно в цитоплазме клеток очень мало
свободного кальция (10-7 — 10"8 моля)» По ряду причин
более высокие концентрации кальция ведут к гибели
клетки, и поэтому у клеток есть ряд защитных механиз-
мов: избытки кальция выкачиваются наружу насосами,,
поглощаются митохондриями и т. п. Представим себе
теперь, что в системе клеток, связанных высокопрони-
цаемыми контактами, какая-то из клеток серьезно по-
вреждена (например, возникла дырка в ее мембране)»
Защитные механизмы не могут справиться с избытком
175
кальция,; поступающего из наружной среды, и клетка
погибает. Но когда кальций подходит внутри этой клетки
к области клеточного контакта, коннексоны закрываются
и соседние клетки отсоединяются от поврежденной. Такая
конструкция похожа на систему водонепроницаемых пе-
реборок в военных кораблях: если в одном отсеке возникла
пробоина, перегородки автоматически закрываются и ко-
рабль не тонет. В клеточных системах такое устройство
тоже обеспечивает их высокую живучесть. Если предполо-
жить, что все сердце представляло бы собой систему кле-
ток, прямо связанных своей цитоплазмой, тогда повреж-
дение могло бы распространяться от клетки к клетке.
Один известный ученый сказал: «Клетки сердца работают
вместе, а умирают поодиночке»^ Теперь мы знаем, что
это возможно именно благодаря свойствам коннексонов.
Но динамичность коннексонов важна не только для
создания живучести. Оказалось,; что высокопроницаемые
контакты можно найти уже на самых ранних стадиях
развития зародышей разных животных (от морского ежа
до позвоночных); они соединяют между собой клетки,,
возникающие уже при первых дроблениях яйца, а в ходе
дальнейшего развития то появляются, то исчезают. Клет-
ки то влияют друг на друга какими-то веществами, то
участки зародыша изолируются друг от друга, и тогда
в этих участках развивается однородная ткань из одина-
ковых клеток; потом такие участки вновь соединяются
контактами с соседями, и вся эта сложная игра контактов
важна для регуляции нормального развития.
Все, что мы узнали о высокопроницаемых контактах,
невольно наводит на мысль, что передача сигналов в элект-
рических синапсах — это вторичная «профессия» струк-
туры, которая, как и ионные насосы, играет более общую
и фундаментальную роль в развитии организмов и функ-
ционировании их тканей.
Аналогичная ситуация имеется и с химическими си-
напсами. Принцип их работы используется в организмах
не только для передачи информации, но и в других целях.
Оказывается, разнообразные секреторные клетки исполь-
зуют ионы Са++ для регуляции выброса секрета подобно
тому, как в химическом синапсе этот процесс использует-
ся для выброса медиатора. Кроме того, клетки многих
желез являются электрически возбудимыми.
Рассмотрим для примера работу клеток поджелудоч-
ной железы (их называют р-клетками), вырабатывающих
инсулин, регулирующий содержание сахара в крови.
176
Оказывается, на поверхности этих клеток имеются спе-
циальные рецепторы, реагирующие на глюкозу* Если
концентрация глюкозы в крови выше нормы, то под
действием этих рецепторов клетки деполяризуются (в ре-
зультате закрывания калиевых каналов) и в них возни-
кают потенциалы действия. Эти потенциалы действия
имеют кальциевую природу, они возникают за счет от-
крывания Са-каналов. При этом ионы Са++ входят внутрь
клетки, что приводит к выбросу в кровь инсулина, точно
так же, как в случае нервных окончаний приводит к выб-
росу медиатора. Роль кальция в выбросе разных веществ,;
в частности гормонов, показана и для многих других
желез.
Нервная клетка — клетка
Этими словами мы хотим подчеркнуть, что
особенные, исключительные свойства нейрона — моди-
фикация свойств, присущих и другим клеткам организма,
В ходе естественного отбора молекулярные машины и
разные клеточные устройства приобретают в разных клет-
ках несколько разные функции, при этом сами устройства
могут либо несколько меняться, либо использоваться
в том же виде, но для другой цели. Раньше мы уже го-
ворили, что ионные насосы и потенциалы покоя имеются
у всех клеток организма, а в нервных и мышечных клет-
ках используются для передачи сигналов.
Рассказ о синапсах дает нам особенно много примеров
того, как единство превращается в многообразие. Мы
видели, что коннексоны существуют у самых разных
клеток организма, в том числе и невозбудимых. Они
используются и при регуляции эмбрионального разви-
тия, и для передачи молекул от клетки к клетке, а в воз-
будимых тканях этот межклеточный канал был исполь-
зован эволюцией для передачи электрического тока, для
создания электрических синапсов.
Разнообразные клетки организма выделяют в окру-
жающую среду разные вещества; прежде всего, это клетки
желез. Существуют специальные клеточные приспособле-
ния для выброса секретируемых веществ: эти вещества
упакованы в мембранные контейнеры, а их выброс регу-
лируется ионами Са++, которые входят в клетку через
специальные кальциевые каналы. В результате естест-
венного отбора этот механизм используется нервными
клетками в конструкции химических синапсов: в кон-
177
тейнерах содержится медиатор,; а дальше выброс его
организован так же, как выброс гормонов и других ве-
ществ. С этой точки зрения нервные клетки с химическими
синапсами — это один из вариантов секреторных к леток „
а медиатор — это их секрет,; который только не просто
выбрасывается в кровь, а поступает к совершенно опре-
деленным потребителям через синаптическую щель.
С другой стороны, мы видели, что работа клеток под-
желудочной железы похожа на работу нервных клеток.
Они тоже имеют потенциал действия, но этот потенциал
действия служит для того,; чтобы открыть кальциевые
каналы и впустить внутрь ионы Са+\ Да и у многих
мышечных клеток основная роль потенциала действия
состоит в том, чтобы открыть ворота кальциевых каналов
для ионов Са++, запускающих процесс сокращения. Мы
еще раз видим близкое сходство механизмов, используе-
мых разными клетками организма в разных целях: для
передачи сигнала в ЭС, для выброса секрета в клетках
желез, для сокращения в клетках мышц. В конце концов,}
это совсем не удивительно, ведь все они — потомки одной
и той же клетки и имеют идентичный геном.
Большинство клеток организма имеют на своей по-
верхности специальные белки-рецепторы, чтобы реаги-
ровать на действие гормонов, на содержание в крови
разных веществ и т. д. Клетки иммунной системы исполь-
зуют такие рецепторы, чтобы отличить свои белки от чуже-
родных, клетки дыхательной системы — чтобы реагиро-
вать на концентрацию углекислоты и т. д. Нервные
клетки используют рецепторы постсинаптической мембра-
ны для того, чтобы в ответ на медиатор открыть дорогу
тем или иным ионам и изменить мембранный потенциал.
Сейчас открыто много метаболических синапсов (мы их уже
упоминали), где эффект синапса осуществляется белками-
рецепторами через изменение внутриклеточных химиче-
ских реакций, что еще больше роднит их с другими ти-
пами клеточных рецепторов.
Часто говорят, что развитие науки приводит к все
большей изоляции разных ее направлений, так что на-
стоящий специалист — это человек, который знает все
ни о чем или о чем-то бесконечно малом. Как мы видим
в биологии можно найти прямо противоположный пример.,
Чем глубже мы узнаем механизмы работы клеток и орга-
низмов, тем яснее нам становится видно проявление единых
общих принципов работы, которые эволюция остроумно
приспосабливает для достижения разнообразных целей.
ГЛАВА 8
ВТОРАЯ ВСТРЕЧА С ГЕОМЕТРИЕЙ.
ГЕОМЕТРИЯ, ЭЛЕКТРИЧЕСТВО,
ФУНКЦИИ
Вся моя физика есть не что"иное, как геометрия.
Р. Декарт
В начале 60-х годов натриевая теория ПД
стала общепризнанной. Однако ее экспериментальная
база была очень узкой —аксон кальмара. Поэтому в раз-
ных лабораториях мира начали изучать применимость
этой теории к другим биологическим объектам. В боль-
шинстве случаев оказывалось, что самые разные возбуди-
мые клетки — нервные волокна лягушки и кошки, мы-
шечные волокна и др.— работают так же, как аксон
кальмара.
Загадка миокардиальных клеток
и «геометрический подход»
Одним из удивительных исключений ока-
зались клетки сердца млекопитающих. Сначала и там
все было в порядке. Швейцарский физиолог С. Вайдман
изучал волокна Пуркинье проводящей системы сердца,;
которые передают сигнал от специальной структуры^
лежащей на границе предсердия и желудочка, к мышеч-
ным клеткам желудочка. Эти волокна образованы «колон-
кой» клеток, соединенных высокопроницаемыми контак-
тами. Вайдман показал, что в этих сердечных клетках
быстрый подъем потенциала при возбуждении связан
с открыванием натриевых каналов. Скорость нарастания
ПД и его амплитуда зависели от содержания ионов натрия
в наружном растворе, а сопротивление мембраны на пике
ПД падало примерно в 100 раз по сравнению с состоянием
покоя. Все было очень похоже на аксон кальмара.
Однако в случае клеток предсердия и желудочка ситуа-
ция оказалась совершенно иной и весьма неожиданной.
И там амплитуда ПД зависела от концентрации ионов
Na+ в растворе, а ее значение составляло примерно
+20 мВ; это означало, что проницаемость мембраны для
Na* становилась примерно на порядок больше, чем для
калия. Однако входное сопротивление ткани при воз-
буждении не менялось!
179
Этот факт прямо противоречил существующим взгля-
дам. Для его объяснения придумывали разнообразные
искусственные конструкции. Например, предполагали,
что в сердечных клетках есть особые калиевые каналы,;
которые закрываются при деполяризации точно с той же
скоростью, с какой натриевые открываются. В результате
сопротивление не меняется. Но доказать существование
таких быстрозакрывающихся каналов не удавалось. Не-
удачными оказывались и другие варианты объяснений.
В это время два биофизика С. А. Ковалев и Л. М. Чай-
лахян занимались еще одной задачей, казалось бы, не
имеющей никакого отношения к сердцу. Они выясняли,;
как будет распространяться возбуждение по неоднород-
ному нервному волокну. Вспомните, что в гл. 6 (о про-
ведении нервного сигнала) для простоты рассматривается
бесконечный цилиндрический кабель, т. е. идеализиро-
ванное однородное волокно. Но реальные нервные волокна
могут расширяться и сужаться, практически все они вет-
вятся и обязательно где-то кончаются. Задача состояла
в том, чтобы выяснить, что будет с нервным импульсом,;
когда он подойдет к области неоднородности — утолщению
или месту ветвления. Для таких случаев теории тогда
не существовало.
Размышляя о ветвящихся волокнах, Ковалев и Чай-
лахян выдвинули совсем новую гипотезу для объяснения
загадки сердечных клеток. Они рассуждали так. В про-
водящей системе сердца все происходит, как в аксоне
кальмара, а в желудочке совсем иначе. Но проводящая
система отличается от желудочка прежде всего геометри-
ческой структурой: проводящая система образована во-
локнами, похожими на аксон дождевого червя,— они
сходны с кабелем; желудочек, напротив, образован слож-
ной сетью клеток, связанных высокопроницаемыми кон-
тактами, и никак не может считаться кабелем. Может
быть, для объяснения необычного поведения желудочка
не нужно искать какие-то необычные ионные каналы, но
необходимо учесть эти геометрические различия?
Для ответа на этот вопрос надо было иметь для гео-
метрически разных структур такую же теорию, как для
однородного волокна.
С. А. Ковалев и Л. М. Чайлахян работали в Теорети-
ческом отделе Института биофизики АН СССР, организо-
ванном в начале 60-х годов Г. М. Франком и И. М. Гель-
фандом. В нем собрались молодые математики, физики
и биологи. Объединение разных знаний очень помогало
180
в работе. Такое содружество и привело к тому, что в Тео-
ретическом отделе было разработано обобщение кабель-
ной теории, и в конце концов возник новый подход
к возбудимым тканям, который для краткости назвали
геометрическим.
В чем суть геометрического подхода? Из предыдущих
глав читатель уже знает, что свойства нервных и мышеч-
ных клеток во многом определяются свойствами их мем-
бран. Эти свойства, в свою очередь, определяются тем,,
какие ионные каналы находятся в мембране (мы еще
подробно расскажем об этом в следующей главе). Однако,;
как оказалось, у природы есть и другой способ менять
свойства клеток — менять их форму. (Можно шить платья
из разной ткани, но можно из одной и той же ткани шить
платья разного фасона.)
В биологии есть очень древняя проблема, которую
называют проблемой формы и функции. Например, форма
конечности у крота приспособлена для рытья земли, у ле-
тучей мыши — для полета, а у обезьяны — для хватания.
С другой стороны, форма тела столь далеких по происхож-
дению организмов, как древний ящер — ихтиозавр, ры-
ба — тунец и млекопитающее — дельфин, весьма сход-
на, так как все они быстрые пловцы.
Геометрический подход — это фактически применение
той же идеи к возбудимым тканям. Его основной принцип
состоит в том, что свойства возбудимых клеток и тканей,
а значит, и выполняемые ими функции во многом опре-
деляются их геометрической структурой: формой клеток,
соотношением их размеров^ взаимным расположением
и связями.
Геометрический подход в электрофизиологии сейчас
широко распространен и кажется вполне естественным:
ведь поведение, например, нейрона существенно зависит
от распределения потенциала на его мембране и от токов,
которые текут в клетке и в окружающей ее среде, Но
токи и напряжения, в свою очередь, зависят от распре-
деления сопротивлений и емкостей, а это распределение
определяется формой клетки. Эти простые соображения
оказались очень продуктивными при применении к кон-
кретным биологическим задачам. И дальше мы рассмот-
рим несколько примеров применения такого геометри-
ческого подхода к нервным клеткам, которые могут иметь
разные размеры и форму, к нервным волокнам — аксонам
и дендритам, — которые тоже не всегда сходны с прово-
дом постоянного диаметра, и к клеточным системам.
181
О шаре и цилиндре
Сравним электрические свойства тела нерв-
ной клетки и нервного волокна, считая тело клетки шаром,
а волокно — бесконечным цилиндрическим кабелем. (Ко-
нечно,; большинство нервных клеток имеет достаточно
сложную форму и больше похожи на дерево или на ежа,
чем на шар. Однако если вспомнить, что знаменитый рус-
ский математик П. Л. Чебышев начал свою лекцию об
укладке семейства линий на кривой поверхности, которую
он назвал «О кройке платья», с фразы: «Для простоты
мы будем рассматривать человеческое тело как шар»,;
то считать нервную клетку шаром — небольшой грех,;
тем более, что некоторые нейроны по форме действительно
близки к шару.)
Сравнение электрических свойств шара и цилиндра,;
образованных одинаковыми мембранами, покажет нам,;
какую важную роль в определении этих свойств играет
форма.
Электрические параметры, которыми характеризуются
клетки и ткани, можно разделить на две группы. К пер-
вой группе относятся параметры, характеризующие ве-
щество мембраны и протоплазмы: удельное сопротивление
мембраны, которое обычно равно 1—10 кОм-см2, ее удель-
ная емкость, обычно равная 1 мкФ/см2, и, наконец, удель-
ное сопротивление протоплазмы, которое равно примерно
100 Ом-см. Эти параметры, естественно, не зависят от
формы и размеров клетки.
Ко второй группе относятся параметры, которые на-
зывают системными. Они характеризуют клетку, волокно
или систему связанных клеток в целом и зависят от раз-
меров и формы. Один из основных системных параметров —
это так называемое входное сопротивление (7?вх), о ко-
тором нам уже приходилось говорить в гл. 6.
Входное сопротивление измеряется так. Один микро-
электрод (токовый) вводится в одиночную клетку, в во-
локно или в одну из клеток, электрически связанных
с соседями, другой полюс при этом помещают в наруж-
ную среду и пропускают между ними ток I% Одновременно
с этим второй микроэлектрод вводят в ту же одиночную
клетку, волокно или клетку-соседа. Тогда при пропуска-
нии тока второй микроэлектрод будет регистрировать
сдвиг МП Д7. Второй микроэлектрод вводят возможно
ближе к токовому электроду, поскольку, как мы знаем,
в нервном волокне (и в системе связанных клеток) сдвиг
182
потенциала будет убывать по мере удаления от токового
электрода. Входным сопротивлением называют отноше-
ние сдвига потенциала к пропускаемому току;
7?вх = Д7/Л (8.1)
Таким образом, входное сопротивление — это аналог
обычного сопротивления участка цепи. Естественно, что
7?вх клеток зависит от параметров первой группы (т. е.
свойств материала) и от формы и размеров клеток, а так-
же их взаимного расположения (в случае, если речь идет
о группе связанных клеток). Например, как мы видели
в гл. 6 (формула (6.1)), входное сопротивление аксона
выражается формулой
Здесь 7?м и Ri — удельные сопротивления мембраны и про-
топлазмы аксона, т. е. параметры первой группы; все
остальное в формуле определяется геометрией волокна —
предполагалось, что это цилиндр, у которого длина го-
раздо больше радиуса.
А теперь посмотрим, что будет, если из того же мате-
риала сделать другое «платье» — сферическую клетку ра-
диуса а.
Можно показать, что у сферических клеток, даже у
очень крупных, с диаметром порядка 1 мм, сопротивление
протоплазмы составляет только 0,1% сопротивления мем-
браны. У клеток меньших размеров — а таковы все
клетки в нервной системе позвоночных — сопротивление
протоплазмы можно вообще не учитывать (поэтому на
схеме нейрона на рис. 43, а сопротивление протоплазмы
не указано). Так что реально входное сопротивление
сферической клетки зависит только от удельного сопро-
тивления ее мембраны и от ее радиуса а:
йвх = RJ^na2. (8.3)
Сравним теперь формулы (8.2) и (8.3). У сферической
клетки 7?вх прямо пропорционально поэтому если
при возбуждении клетки удельное сопротивление мембра-
ны уменьшится, например, в 36 раз, то и 7?вх уменьшится
тоже в 36 раз (рис. 43, б). У волокна же 7?Вх пропорцио-
нально не 7?м, а только поэтому если при возбуж-
дении сопротивление мембраны уменьшится также в 36 раЗд,
то 2?вх изменится только в 6 раз (рисе 432 а, б).
183
Сферическая клетка и цилиндрическое волокно су-
щественно отличаются и по своим емкостным свойствам*
Если на сферическую клетку подействует постоянный ток^
Рисэ 43. Сравнение электрических свойств сферической клетки и
цилиндрического волокна, а — Эквивалентные схемы клетки и во-
локна; у сферической клетки сопротивление протоплазмы можно
не учитывать, а у волокпа учитывать необходимо, б — Зависимость
входного сопротивления сферической клетки и волокна от удель-
ного сопротивления мембраны, в — Нарастание и спад потенциала
в нервной клетке и в волокне при пропускании импульсов тока
(ток включен в момент времени 0 и выключен в момент tu второй
импульс тока начинается в момент t2 и кончается в момент /3); у
клетки потенциал нарастает и спадает медленнее, чем у волокна,
видно, что у клетки сдвиг потенциала в ответ на второй импульс
суммируется с ответом на первый импульс
включенный в некоторый момент времени, то потенциал
на ней будет нарастать по закону (рис. 43, в)
V =/7?вх (1 — е-*/х). (8.4)
(Напомним, что т — постоянная времени мембраны ДМСМ.
Если 7?м = 1000 Ом-см2г а См = 1 мкФ/см2, то т такой
мембраны равна 1 мс.)
Если теперь ток выключить,; то развившийся потен-
циал не исчезает мгновенно, а спадает со временем тоже
экспоненциально (см, рис. 43, в):
V = Voe-^. (8.5]
184
Совсем другими емкостными свойствами обладает ци-
линдрическое волокно. Формулы для нарастания и спада
тока становятся довольно сложными, и мы их приводить
здесь не будем. Суть дела состоит в том, что при тех же
самых свойствах мембраны, что и у сферической клетки,;
потенциал в кабеле и нарастает, и спадает гораздо быстрее
(см. рис. 43, в).
Ну и что? Первые примеры влияния
геометрии на функции
Какое значение имеют эти системные свой-
ства для работы нейронов и волокон? В чем проявляется
их различие? Приведем несколько примеров, показываю-
щих важное значение системных параметров для работы
нейронов.
Пример первый. Пусть у нас есть две сфериче-
ские клетки — большая и маленькая, и на обеих клетках
имеются одинаковые синапсы. Спрашивается, какое влия-
ние окажут эти синапсы на разные клетки?
В предыдущей главе мы получили формулу для сдвига
потенциала, вызываемого в клетке воздействием си-
напса — постсинаптического потенциала (формула (7.2)):
Ди = —б----г-б— . Там же мы указывали, что /?с
^вх г -“с
(сопротивление синапса) очень велико и равно примерно
1012 Ом. Входное сопротивление нейронов гораздо меньше:
у нейрона диаметром 1 мм оно порядка 105 Ом и даже
у маленького нейрона диаметром всего 10 мкм оно состав-
ляет только 109 Ом. Следовательно, в знаменателе выше-
приведенной формулы йвх мало по сравнению с Rc и им
можно пренебречь. Мы получаем упрощенную формулу
V — V
= —-------Явх. (8.6)
Как видно из этой формулы, постсинаптический потен-
циал, создаваемый одинаковыми синапсами в разных клет-
ках, будет прямо пропорционален их RBX, a RBX сфери-
ческой клетки, в свою очередь, обратно пропорционально
квадрату ее диаметра. Так что при одинаковом воздействии
постсинаптический потенциал в клетке диаметром 10 мкм
будет в 100 раз больше, чем в клетке диаметром в 100 мкмв)
Об этой разной восприимчивости к синаптическим воз-
действиям клеток разного диаметра известный советский
185
ученый М. М. Бонгард сказал: «Это понятно. Спичкой
можно зажечь тонкую хворостинку, но нельзя зажечь
бревно».
Пример второй. Когда мы разбирали механизм
действия тормозных синапсов, то говорили, что они
открывают ионные каналы для калия или хлора, что
приводит к гиперполяризации клетки, удалению ее по-
тенциала от порогового значения. Теперь мы можем
указать вторую причину их тормозного действия. Откры-
вая ионные каналы, тормозные синапсы снижают сопро-
тивление мембраны, а тем самым и RBX нейронов. Из
формулы (8.6) видно, что эффективность действия воз-
буждающих синапсов тем меньше, чем меньше /?Вх,
поэтому тормозные синапсы, снижая /?вх, снижают эф-
фективность воздействия возбуждающих синапсов.
Но 2?вх сферической клетки и цилиндрического волок-
на, как видно из формул (8.2) и (8.3), по-разному зависят
от сопротивления мембраны. Если тормозные синапсы
вдвое снизят сопротивление мембраны сферической клет-
ки, то и /?вх, а значит, и эффективность возбуждающих
синапсов тоже снизятся вдвое. Когда же тормозные синап-
сы действуют на цилиндрический кабель, например на
длинный дендрит, результат будет иным: если сопротивле-
ние мембраны тоже снизится вдвое, то 2?вх снизится только
в У 2, т. е. примерно в 1,4 раза, а значит, и эффективность
торможения будет меньше, чем в случае сферической
клетки. Отсюда понятно, почему в организмах тормозные
синапсы чаще встречаются на телах нейронов.
Пример третий. Мы видели, что один синапс
создает на клетке, даже на очень маленькой, сдвиги потен-
циала, меньшие порога возбуждения в сотни и даже
в тысячи раз. Отсюда следует, что клетка может возбу-
диться только в результате действия на нее не одного^
а многих синапсов.
Когда на клетку примерно одновременно действует
много синапсов, находящихся на разных участках ее
мембраны, и их действие суммируется, этот процесс назы-
вают пространственной суммацией. Однако, как правило,
разные синапсы срабатывают неодновременно: один уже
кончил действовать, когда другой только начинает.
В этом случае процесс называют пространственно-времен-
ной суммацией. Чисто временная суммация возникает
при действии одного и того же синапса, если к моменту
его последующего срабатывания сдвиг потенциала, соз-
данный предыдущим срабатыванием^ еще не исчез?
186
Для временной и пространственно-временной суммации
очень важно, насколько долго сохраняется «след» от
синаптического воздействия, а это зависит от емкостных
свойств нейрона (см, формулу (8.5)), Если возникший
потенциал спадает достаточно медленно,, то действие
второго синапса? включившегося позднее, может сумми-
роваться с остаточным потенциалом от первого. В против-
ном случае суммируется только действие тех синапсов,;
которые сработали практически одновременно.
Из рис. 43, в ясно^ что потенциал в кабеле спадает
гораздо быстрее, чем в сферической клетке, Но у беспоз-
воночных животных синапсы находятся не на телах
нервных клеток, а на их отростках, т. е. именно на волок-
нахг обладающих свойствами кабеля. Отсюда следует,,
что при одних и тех же свойствах мембраны синаптические
потенциалы у беспозвоночных будут суммироваться в мень-
шей мере, чем на тех нейронах позвоночных, где синапсы
находятся на телах клеток. Если же синапсы у позвоночных
расположены на длинных дендритах, то суммация будет
идти так же, как у беспозвоночных.
Мы рассмотрели две простейшие структуры: сферичес-
кую клетку и цилиндрическое волокно. Дальше мы рас-
смотрим несколько более сложных примеров влияния
формы клеток и топологии ткани на их электрические
свойства и функции.
Нервное волокно расширяется, сужается,
ветвится и кончается
В 1964 г. в Ереване проходил очередной
Всесоюзный физиологический съезд. Один из авторов
этой книги докладывал на съезде первые результаты
и программу исследований, связанных с геометрическим
подходом. Среди слушателей был Б. И. Ходоров, сотруд-
ник института хирургии им. А. В. Вишневского, в даль-
нейшем много сделавший для развития и пропаганды
такого подхода. Но тогда он сильно усомнился в правиль-
ности выводов, сделанных в докладе о распространении
импульсов по неоднородным нервным волокнам, и решил
проверить их самостоятельно. Многие выводы этого док-
лада были сделаны на основании только качественного
рассмотрения, так сказать, «на пальцах». Б. И. Ходорсв
решил проверить их количественно, Так появилась пер-
вая машинная модель проведения импульсов по неодшь
родным нервным волокнам, Что же удивило Ходорова?
4 187
Представим себе, что нервное волокно в некоторой
точке резко расширяется. Что произойдет с импульсом,
идущим из тонкого участка в толстый? Когда импульс
идет по тонкой части волокна, ток, создаваемый возбуж-
денным участком, заряжает мембрану, лежащую рядом
с возбужденной областью, и идет по аксоплазме в более
удаленные участки. По мере приближения возбужденной
области к месту расширения все большая доля тока
начинает перетекать в широкую часть волокна — ведь
там меньше сопротивление — и меньшая доля тока идет
через мембрану невозбужденной области узкого участка
волокна. Из-за этого емкость мембраны узкого участка
заряжается медленнее, потенциал нарастает медленнее,;
и импульс замедляет свое движение. Кроме того, снижа-
ется и амплитуда импульса, так как при медленном нарас-
тании потенциала успевает инактивироваться часть натри-
евых каналов.
Пусть теперь импульс подошел вплотную к месту
расширения. Условия проведения еще более ухудшаются:
ток генерируется мембраной узкой части, а возбудить
должен большую по площади мембрану толстой части.
Ток, идущий через мембрану широкой части, растекается
по большой площади и медленно заряжает ее емкость.
В результате потенциал в широкой части волокна будет
нарастать очень медленно.
На основании таких соображений авторы доклада
и сделали предсказание, что перед расширением импульс
должен замедляться и снижать амплитуду, а при некото-
ром критическом расширении вообще не сможет пройти
через эту область. Вот эти предсказания и были проверены
Б. И. Ходоровым и его сотрудниками с помощью расчетов
на вычислительной машине.
Расчеты полностью подтвердили все предсказания
(рис. 44). Оказалось, что при расширении волокна в 6 раз
ПД не может пройти через это расширение. Шестикратное
расширение является критическим, если мембрана волокна
точно такая, как у гигантского аксона кальмара; если
же эта мембрана более «низкого качества» (меньше ампли-
туда ПД, выше порог), то блокирование возникает при
меньших расширениях.
В дальнейшем задачей о круто или постепенно расширя-
ющихся и сужающихся волокнах занимались многие тео-
ретики и экспериментаторы. Так, сотрудникам Института
электрохимии АН СССР В. С. Маркину и Ю. А. Чизмад-
жеву удалось решить задачу о распространении ПД
188
в волокне с расширением без вычислительной машины»
с помощью несколько упрощенной математической моде-
ли. Они получили очень неожиданный результат. Ока-
залось, что если окружить волокно плохо проводящей
средой, то ПД может пройти через большее расширение»
т. е. если ухудшить условия распространения импульса^
Рис. 44. Особенности распространения возбуждения по расширяю-
щимся и сужающимся нервным волокнам, а — Распространение
импульса через область расширения: за время At импульс распро-
страняется из точки 1 в точку 2, а затем за такое же время — из точ-
ки 2 в точку 3. Видно, что перед расширением скорость импульса
и амплитуда снижаются, б —Графики зависимости скорости импуль-
сов от расстояния при распространении по расширяющемуся и
сужающемуся волокну (схемы волокон приведены под графиками);
обратите внимание на рост скорости перед областью сужения волокна
(отмечено стрелкой) —- это явление типа гидравлического удара.
Стационарные значения скоростей в узкой (р2) и широкой (р2) час-
тях волокон относятся как корни квадратные из диаметров волокон
то преодоление препятствия облегчается! (Это напоминает
ситуацию с электрическим синапсом» где передача сиг-
нала улучшается, когда щель между клетками заполняют
изолятором.) В чем же тут дело? Грубо говоря, дело в том»
что при увеличении внешнего сопротивления убывает
константа длины волокна и ток не растекается далеко
в широкую часть волокна^ что облегчает преодоление
препятствия.j
189
А что будет, если волокно не расширяется, а, напротив,}
сужается? Повторив рассуждения о расширяющемся во-
локне, так сказать, «со знаком минус», легко сообразить,3
что по мере приближения ПД к месту сужения его ско-
рость должна нарастать, а амплитуда увеличиваться
(рис. 44, б). Это явление оказалось очень важным — ведь
к нервным волокнам вполне применима поговорка:
«Сколько веревочке ни виться...». Всякий аксон в конце
концов оканчивается, причем тонкими терминалями,,
получается как бы «сужение до нуля». Значит, при под-
ходе к терминали импульс все более разгоняется, его ам-
плитуда растет. Возникает явление, похожее на гидравли-
ческий удар, когда текущая по трубе жидкость натыкается
на препятствие. Возрастание амплитуды потенциала в
конце терминали очень важно для работы химических
синапсов, так как улучшает условия выделения медиа-
торов.
Рассмотрим теперь явления в области ветвления нерв-
ного волокна.
У позвоночных животных ситуация в области ветвле-
ния аксона, как правило, не отличается от случаев рас-
ширения и сужения волокна, так как импульс у них
возникает в теле клетки и всегда идет от тела по аксону.
Если импульс подходит к точке ветвления по толстому
стволу, который делится на две тонкие веточки, то ПД
перед точкой ветвления ускоряется. Если же площадь
мембраны выходных веточек волокна больше, чем
у той веточки, по которой приходит импульс, то ПД
около точки ветвления замедляется и может даже забло-
кироваться.
В нейронах беспозвоночных в области узлов ветвле-
ния может возникать совсем иная ситуация. Дело в том,
что у них, как уже говорилось, синапсы располагаются
не на теле нейрона, а на разных веточках отростка нерв-
ной клетки, так что эти веточки могут возбуждаться
независимо друг от друга. Представим себе узел ветвле-
ния, в котором две тонкие веточки и одна более толстая.
Соотношение их диаметров может быть таким, что ПД
не проходит в толстую веточку ни из одной тонкой,
когда они возбуждаются по отдельности, но проходит
в том случае, когда ПД возникает сразу в обеих тонких
веточках и подходит к месту ветвления более или менее
одновременно. Такой узел ветвления работает как схема
совпадений или логический элемент «И»: импульс за
узлом ветвления возникает только тогдаЛ когда имеют
190
место два события одновременно, и отсутствует, если
возникает только одно из них. Нейроны, работающие
по этому принципу, были действительно обнаружены
у некоторых моллюсков.
С помощью узлов ветвления такого «логического»
типа, в принципе, в нервной системе может быть обра-
зовано много разных устройств. Например, легко
представить себе нейрон, который обнаруживает источ-
ник звука^ расположенный прямо впереди животного;
1 2 3 4 5
Рис. 45. «Детектор однонаправленных движений» — устройство,
которое может реагировать на движение механического раздражи-
теля по коже или на движение оптического стимула по сетчатке
в определенном направлении и с определенной скоростью. Легко
сообразить, что скорость воспринимаемых стимулов должна быть
равна скорости распространения сигнала по горизонтальному
участку дендрита. Вверху — детектор обнаружит стимул, внизу —
реакции не будет
сигналы от него будут приходить к ушам одновременно.
В качестве другого примера рассмотрим «детектор одно-
направленных движений». Пусть имеется нейрон со струк-
турой дендрита, как на рис. 45. Пусть на каждую его
веточку действует, например, фоторецептор. Если
световой стимул пробегает по фоторецепторам слева
направо, то поочередно возбуждаются веточки 1, 2,}
3 и т. д. Когда ПД от веточки 1 приходит к первому
узлу2 туда же подходит сигнал от веточки 2г происходит
191
их суммация, импульс преодолевает «логический» узел
и идет дальше. У следующего узла встречаются этот
импульс и ПД от веточки 3 и т. д. Если же стимул движет-
ся в противоположном направлении, то импульс от веточ-
ки 5 затухнет, так как к нему «на подмогу» не придет
импульс от веточки 4.
Такое устройство будет возбуждать тело клетки
только в том случае, когда стимул движется по сетчатке
в определенном направлении и с определенной скоростью;
на другие сигналы нейрон отвечать не будет. (Это устрой-
ство было в свое время придумано для объяснения работы
некоторых нейронов сетчатки, но в дальнейшем оказав
лось, что принцип их работы другой. Сейчас предпола-г
гается, что нейроны такого типа участвуют в работе
слуховой системы.)
Заметим, что, поместив в область узла ветвления воз-
буждающие или тормозные синапсы, можно управлять
процессом прохождения ПД через узел.
Зачем нейрону дендриты,
а дендритам шипики
Многие нервные клетки похожи на кусты
или деревья: их выходной отросток, аксон,— тонкий
корешок этого дерева, все остальные многочисленные
отростки — дендриты. Дендриты обычно отходят от тела
клетки в виде толстых стволов, которые затем делятся
на несколько более тонких ветвей, те, в свою очередь,—
на еще более тонкие и т. д. Длина дендритов в десятки
раз превышает диаметр нервных клеток, а толщина кон-
цевых веточек очень мала — может составлять доли ми-
крометра. Вопрос о том, какую роль играют дендриты
в работе нервных клеток, до сих пор окончательно не
решен и, скорее всего, у разных нейронов их роль раз-
лична. В частности, у одних клеток мембрана дендритов
невозбудима и может передавать сигналы только элек-
тротонически, как пассивный кабель (см. гл. 6), а у дру4
гих—дендриты способны проводить ПД. Сейчас мы рас-
смотрим только те свойства дендритов, которые связаны
с их геометрией.
Рассмотрим сначала те клетки, у которых дендриты
невозбудимы. В этом случае «проблема дендритов» сос-
тоит в следующем. Синаптические окончания встречают-
ся на самых разных частях дендритного дерева. Возьмем
синапс, действующий на веточку2 максимально удаленную
192
от тела клетки. В этом случае условия для передачи
электрического сигнала представляются весьма невы-
годными. Действительно, в тонкой веточке велика кон-
станта затухания, а своим концом веточка «впадает»
в более широкий участок дендрита, который «закора-
чивает» ее. В таких закороченных кабелях потенциал
спадает особенно сильно (см. рис. 34, в), правда, в слу-
чае дендритов «закорачивание» является неполным и
потенциал в конце веточки спадает не до нуля. В следу-
ющем отрезке дендрита условия для передачи сигнала
тоже неблагоприятные, так как на его конце тоже нахо-
дится более толстый дендритный ствол, и т. д« В связи
с этим возникло представление, что синапсы, располо-
женные на удаленных веточках, дают очень малый
вклад в изменение потенциала тела клетки, в сотни раз
меньший, чем такие же синапсы на теле клетки. Полу-
чается, что синапсы на конечных дендритных веточках
бесполезны, что это «Ошибка природы».
Один из вариантов решения «проблемы дендритов»
состоит в том, что на тонких концевых веточках можно
разместить много синапсов (суммарная площадь мем-
браны веточек велика), тогда совместное действие этих
синапсов будет заметно в теле клетки. Но для этого надоЛ
чтобы все эти синапсы работали более или менее одновре-
менно.
Все вышеприведенные рассуждения долгое время
носили качественный характер. В 1965 г. в Теоретичес-
ком отделе Института биофизики АН СССР был разра-
ботан способ количественной оценки эффективности си-
напсов для нервных клеток любой формы и рассчитана
эта эффективность для мотонейронов, пирамидных кле-
ток коры и клеток мозжечка. Оказалось,; что эффектив-
ность дендритных синапсов всего в 3—5 раз ниже*
чем у синапсов, расположенных на теле нейрона. Чем
это объясняется? Почему эффективность удаленных ден-
дритных синапсов оказалось довольно велика? ВспЬмни-
те, что говорилось в начале этой главы о действии синап-
сов на большую и маленькую клетку. Чем меньше
клетка, чем выше ее входное сопротивление, тем больший
сдвиг потенциала создает синапс. У тоненьких дендрит-
ных веточек, удаленных от тела клетки, входное сопро-
тивление оказалось большим, поэтому синапсы могут
создавать в этих веточках сдвиги потенциала в десятки
раз большие, чем в теле нейронов. И хотя при распростра-
нении к телу этот сдвиг потенциала действительно силь-
7 М. Б. Беркинблит, Е. Г. Глаголева
193
но затухает, его большая величина в значительной
мере компенсирует затухание (рис. 46). Таким образом,)
дендритные синапсы оказались вовсе не ошибкой природы.
А теперь рассмотрим те нейроны, дендриты которых
обладают возбудимой мембраной, способной к генерации
ПД. У таких нейронов высокая эффективность синапса
на тонкой веточке может привести к тому^ что всего
СинапсЗна
{Синаптический потенциал Ьвлик^но
' убывав^ приближаясь к телу клетки
Рис. 46. Действие синапса зависит от его положения на нейроне*
Синапс 1 расположен на теле клетки; он создает маленький потен-
циал, но зато этот потенциал действует прямо на мембрану тела.
Синапс 2 расположен на тонкой дендритной веточке; он создает
в ней большой локальный потенциал, который сильно затухает на
пути к телу, но все же остается сравнимым с потенциалом от пер-
вого синапса
несколько синапсов доведут мембранный потенциал до
порога и вызовут в этой веточке ПД, который начнет
распространяться к телу клетки. Его дальнейшая
судьба зависит от свойств узлов ветвления, через кото-
рые ему надо пройти по пути к телу клетки, т. е. от гео-
метрии дендрита. Клетка такого типа работает как слож-
ная логическая схема. Пример такой клетки был приве-
ден на рис* 45; эта клетка обнаруживает однонаправлен-
ные движения стимула. Клетки с более сложной формой
дендритов могут работать как довольно хитрые вычисли-
тельные машины. «Такая система подобна системе голо-
сования с большим числом участников, которые имеют
неодинаковое число голосов... Окончательный резуль-
татл конечно, зависит от общего числа голосов, поданных
«за» или «против»2 однако он в не меньшей степени завн-
194
сит и от того, кто именно и вместе с кем из партнеров
голосует»,— писали сотрудники Теоретического отдела
Института биофизики АН СССР в 1966 г.
На дендритах многих нейронов имеются особые обра-
зования, так называемые шипики. Это структуры, похо-
жие на грибы и состоящие из головки на тонкой ножке, ко-
торую чаще называют шейкой шипика. Шипик представляет
собой выпячивание клеточной мембраны, а к его головое
подходит терминаль от другого нейрона и образует на
ней химический синапс.
Зачем нужны шипики — неизвестно. Число гицртез
об их функциях огромно. Давайте посмотрим, что можно
сказать о возможных функциях шипиков, исходя из гео*
метрических соображений. При этом рассмотрим два ва~
рианта: мембрана головки шипика невозбудима; мембра-
на головки шипика способна к генерации ПД.
Пусть шипик невозбудим. Его тоненькая шейка имеет
высокое сопротивление. В результате в головке будет воз-
никать большой постсинаптический потенциал, но его за*
метная часть будет теряться в шейке. Шипик будет рабо-
тать как тоненькая дендритная веточка. Но зачем нужно
такое устройство? Почему бы синапсу не располагаться
прямо на дендрите?
Давайте вспомним второй пример, приведенный в на-
чале этой главы. Там говорилось, что одним из способов
работы тормозных синапсов является снижение входно-
го сопротивления нейрона. Но ведь и возбуждающие си-
напсы тоже открывают ионные каналы и снижают вход-
ное сопротивление! Из-за этого возбуждающие синапсы
тоже мешают друг другу. Особенно сильна такая помеха
будет на тонких дендритах, у которых очень высоко вход-
ное сопротивление, так что активация нескольких синап-
сов вызовет заметное его снижение. Шипики должны су-
щественно снижать взаимное влияние соседних синапсов,;
которые в этом случае отделены друг от друга шейками
с высоким сопротивлением. Расчеты подтвердили, что хо-
тя шипиковые синапсы каждый по отдельности менее эф-
фективны, чем синапсы, расположенные прямо на дендри-
те, но при совместной работе эффект заметно выше.
Если же мембрана шипика возбудима, то он может ра-
ботать как усилитель синаптической передачи. Из-за тонко-
сти шейки входное сопротивление шипика очень велико
и один синапс может вызвать в головке ПД, который пошлет
в дендрит гораздо более сильный электрический ток, чем
ток синапса, Интересно, что при таком режиме работы
7* 195
шипика должно существовать оптимальное сопротивление
его шейки. Оно не должно быть слишком маленьким —
тогда заметная часть синаптического тока будет утекать
в дендритную веточку, сдвиг потенциала на мембране го-
ловки шипика не достигнет порогового значения и там не
возникнет ПД. Но, с другой стороны, сопротивление шей-
ки шипика не должно быть и слишком большим, иначе из
головки шипика в дендрит будет течь слишком слабый
ток и никакого усиления синаптического тока не получит-
ся. Недавно появились работы, показывающие, что гео-
метрическая структура реальных шипиков близка к тойв
которая по теоретическим расчетам является оптималь-
ной.
До сих пор мы говорили о форме волокон и клеток или
даже микроструктур клеток — шипиков. Посмотрим те-
перь на геометрию клеточных объединений*
Геометрическое выпрямление
Разберем сначала самый простой случай:
пусть есть две клетки, соединенные между собой ЭС. В пре-
дыдущей главе мы говорили, что действие ЭС, в отличие
от действия ХС, симметрично. И действительно, сам ЭС —
это система тонких отверстий, которые совершенно одина-
ково пропускают ток в обе стороны. А вот действие тако-
го синапса на связанные им клетки может сильно разли-
чаться, если эти клетки отличаются по величине^ а значит,>
и по входному сопротивлению.
Пусть ЭС связывает две клетки — большую и малень-
кую (рис. 47). Пусть в какой-то из них возник сдвиг
потенциала АVt. Этот сдвиг потенциала делится на две час-
ти — падение напряжения на сопротивлении ЭС (7?к) и па-
дение напряжения ДУ2 на Д2 второй клетки, причем в со-
ответствии с законом Ома потенциал распределяется про-
порционально сопротивлениям участков (сила тока, теку-
щего через эти сопротивления, одинакова, так как через
мембрану второй клетки течет тот ток, который попал в нее
через ЭС). А отсюда сразу следуют важные выводы. Пусть,3
например, первой (большой) клетки примерно в 9 раз
меньше а Н2 второй (меньшей) клетки только в
4 раза меньше Ь\-. Если возбудилась первая клетка, то ее
ПД, равный примерно 100 мВ, разделится в отношении
1 : 4, т. е. на второй клетке возникнет сдвиг потенциала
около 20 мВ, и эта клетка возбудится, так как пороговое
значение обычно равно примерно 15 мВ. Однако если та-
196
кой же IIД в 100 мВ возникнет во второй клетке, то он
разделится в отношении 1 : 9, тогда на долю первой клет-
ки придется только одна десятая часть его, т. е. 10 мВ, что
ниже порогового значения.
Получается, что ПД может передаваться через ЭС толь-
ко в одном направлении. За счет разных размеров клеток
Рис. 47. «Геометрическое выпрямление». Эквивалентная электри-
ческая схема двух клеток разного размера, связанных электрическим
синапсом: а — ПД возник в первой (большой клетке) и вызвал
ПД во второй клетке; б — ПД, возникший во второй клетке, не
вызывает возбуждения первой клетки. и R2 — сопротивление
мембраны соответственно первой и второй клетки, — сопротив-
ление контакта, соединяющего их
возникает эффект, который называют геометрическим вы-
прямлением.
Но высокое и низкое 7?Вх зависит не только от размеров
клеток. Пусть обе клетки однинаковы, но на одну из них
подействовали химические синапсы, повысили проводи-
мость ее мембраны, а это все равно, что сделали клетку
большой. Таким образом, ХС могут регулировать работу
ЭС и делать передачу через них односторонней.
Такая система регуляции существует, например, у не-
которых моллюсков. Она управляет работой мышц их глот-
ки. При необходимости схватить добычу моллюск делает
резкое движение, все мышцы сокращаются одновременноЛ
втягивая добычу. При этом все мотонейроны, управля-
ющие мышцами, связаны ЭС, поэтому ПД в них возника-
ет одновременно. При жевании те же мышцы должны ра-
ботать неодновременно; это достигается тем, что под дей-
ствием ХС Лвх мотонейронов снижается и ПД в одной
клетке теперь уже не может возбудить другие»
197
Разгадка сердечной загадки
Теперь вернемся к самому началу главы.
Там говорилось о необычном поведении миокарда: вход-
ное сопротивление в нем не меняется при возбуждении.
Как оказалось, такое поведение миокарда объясняется
не особенностями мембран сердечных клеток, а его соб-
ственной геометрией.
Клетки сердца соединены между собой многочислен-
ными ЭС и образуют сложную сетку, так называемый син-
Рис. 48. Электрические свойства клеточных сетей (синцитиев к
а — некоторые типы изученных синцитиев и зависимость входного
сопротивления синцитиев от удельного сопротивления их мембраны
(ср. с рис. 43.); б — спад потенциала с расстоянием в цилиндри-
ческом кабеле (нервном волокне) и в синцитии (предсердии): в во-
локне потенциал спадает по экспоненте, а в предсердии«по
функции Бесселя
198
цитий. Для того чтобы выяснить электрические свойства
синцитиев, надо было обобщить кабельную теорию и на
этот случай. В качестве моделей миокарда были выбраны
правильные сети (рис. 48, а). Отрезки кабеля между уз-
лами моделировали миокардиальные клетки, а вся сеть,;
имеющая общий непрерывный сердечник и общую изоля-
цию, имитировала миокард. Основы математической тео-
рии таких синцитиев были созданы сотрудником Тео-
ретического отдела Института биофизики АН СССР
В. В. Смоляниновым, который впоследствии написал од-
ну из первых книг о геометрическом подходе к возбуди-
мым тканям.
Электрические свойства синцитиев оказались во мно-
гом необычными. Выяснилось, в частности, что 2?вх синци-
тиев очень слабо зависит от сопротивления мембраны их
клеток (т» е. сопротивления изоляции модели) (рис. 48, б).
Если даже" сопротивление мембраны упадет в 100 раз± то
7?вх изменится так мало, что это изменение не удастся об-
наружить в эксперименте. Зато Нвх синцитиев сильно за-
висит от сопротивления протоплазмы (см. таблицу)*
Зависимость 7?вх геометрически разных структур от удельного
сопротивления мембраны (7?м) и удельного сопротивления
протоплазмы (fy)
Объект Как зависит от Ям Как зависит от
Сферическая клетка Линейно Очень слабо
Цилиндрическое волокно УК УК
Синцитии Очень слабо Линейно
Сравним теперь, как меняется мембранный потенциал
в геометрически разных объектах по мере удаления от то-
чечного источника тока (микроэлектрода в случае реаль-
ных клеток и тканей). В сферической клетке сдвиг потен-
циала одинаков в любой точке ее мембраны — она экви-
потенциальна. В цилиндрическом волокне потенциал спа-
дает по экспоненте (рис. 48, б), а в синцитии потенциал спа-
дает гораздо круче, чем по экспоненте; например, спад
потенциала в таком почти плоском тонком синцитии, как
предсердие лягушки^ описывается функцией Бесселя
(рис, 482 б)1?
199
Крутой спад потенциала в синцитиях позволяет, хотя
бы на качественном уровне, объяснить, почему их 7?Вх так
слабо зависит от сопротивления мембраны. Пусть мы из-
меряем 7?вх, пропуская ток между некоторой точкой син-
цития и наружной средой. Большая часть этого тока вы-
текает через область синцития, лежащую в некоторой ок-
рестности точки пропускания тока; назовем эту область
синцития эффективной. Пусть теперь сопротивление мем-
браны клеток синцития снизилось (например, в резуль-
тате возбуждения). От этого убывает константа длины во-
локон синцития. Потенциал спадает в каждом волокне кру-
че, и площадь эффективной области синцития убывает.
Практически эта площадь уменьшается примерно во столь-
ко же раз, во сколько раз снижается сопротивление мем-
браны. А так как сопротивление эффективной области
тем меньше, чем меньше удельное сопротивление мем-
браны, и тем больше, чем меньше площадь эффективной
области, то в результате влияние этих факторов взаимно
компенсируется и RBX практически не меняется. Кроме
того, 7?вх синцитиев очень мало по сравнению с RBX клет-
ки или волокна с такой же мембраной. Это естественно:
ток, инъецируемый в данную точку синцития, растекает-
ся по его разветвленным отросткам во все стороны и выте-
кает наружу через большую поверхность.
Синцитии имеют и другие особенности: например^
в сердце сдвиг потенциала спадает во времени примерно
на порядок быстрее, чем в сферической клетке с такими
же свойствами мембраны, а значит, гораздо быстрее, чем
в кабеле. Все эти особенности синцитиев имеют важное
функциональное значение. Так, синцитиальные ткани
очень «помехоустойчивы». Из-за низкого входного сопро-
тивления один или несколько синапсов, действующих
на такую ткань, будут оказывать очень слабый эффект.,
Если одна клетка сердца заработает вдруг с высокой час-
тотой, то эта «взбесившаяся клетка» не сможет повлиять
на ритм всего сердца: она одна не в состоянии возбудить
соседние клетки синцития (RBX мало и мощности одной
клетки недостаточно для выработки токов, которые мог-
ли бы заметно изменить потенциал соседних клеток). Что-
бы существенно повлиять на работу синцитиальной тка-
ни, надо подействовать одновременно на многие клетки
синцития, т. е. воздействие должно быть не точечным,,
а распределенным. Тогда соседние клетки будут в равных
условиях, ток из одной клетки не будет утекать в сосед-
ние и эффект будет такой же2 как при воздействии на изо-
200
лированную клетку. И действительно, в синцитиальных
тканях, например в гладких мышцах кишечника, нерв-
ные волокна очень широко разветвлены и действуют сра-
зу на многие клетки.
Итак, загадка миокарда оказалась разгаданной. Она
оказалась результатом неудачно поставленного вопроса.
В данном случае ученые рассуждали по аналогии: «В клет-
ке при возбуждении входное сопротивление падает? Па-
дает. В волокне при возбуждении входное сопротивление
падает? Падает. Значит, и в синцитии при возбуждении
входное сопротивление должно падать». А оказывается^
не должно. При изменении размерности объекта элек-
трические свойства могут качественно меняться»
Одномерный, двумерный, трехмерный
Нервное волокно, у которого длина намного
больше диаметра, можно считать одномерной возбудимой
средой, тонкую ткань предсердия — двумерной. Двумер-
ные возбудимые ткани могут иметь разную топологию:
например, у асцидий сердце представляет собой трубку,)
образованную одним слоем клеток; можно считать, ^то
это двумерная возбудимая среда, образующая цилиндр.
Синцитии, рассмотренные выше, топологически эквива-
ленты плоскости.
В «одномерном» нервном волокне импульс может идти
только в одном направлении. В двумерных синцитиях воз-
буждение распространяется во все стороны, образуя фронт
волны, подобно кругам на воде, разбегающимся от бро-
шенного камня.
Такие волны возбуждения все время бегут по сердцу»
Они возникают в специальном ведущем узле, пробегают
по предсердию, а потом медленно ползут по синцитиюt ле-
жащему на границе между предсердием и желудочком»
Эта «линия задержки» необходима, чтобы предсердие ус-
пело выбросить кровь в полость желудочка. Потом воз-
буждение переходит с «линии задержки» на проводящую
систему, которая быстро возбуждает весь желудочек.
Форма фронта волны в возбудимых средах, как и в слу-
чае обычных физических волн, зависит от скорости рас-
пространения возбуждения. Если среда изотропна (об-
ладает одинаковыми свойствами по всем] направлениям),)
волны будут круговые. Но скорость возбуждения в син-
цитии сильно зависит от его геометрии; например, в та-
ком синцитии^ как на рис. 492 а, при распространении
201
в горизонтальном направлении вдоль волокон скорость
велика, а при распространении в вертикальном направ-
лении токи в каждом узле ветвления перетекают в длин-
ные боковые перемычки, и это снижает скорость проведе-
ния» Расчеты, проведенные на ЭВМ сотрудницей Инсти-
тута проблем передачи информации АН СССР Т. А. Шу-
pa-Bypaf показал^ что за счет такой организации сети
Рис, 49. Особенности распространения возбуждения в синцити-
альной ткани: а — разная скорость распространения возбуждения
в анизотропном синцитии; б — выпрямление изогнутого фронта
возбуждения в плоском синцитии (длина стрелок показывает ско-
рость распространения данного участка фронта)
скорость возбуждения может быть снижена на порядок^
Такой анизотропный синцитий и образует «линию задерж-
ки» между предсердием и желудочком.
Свойства возбудимых тканей определяют и ряд дру-
гих важных особенностей волн возбуждения. Например,
если по синцитию идет волна с искривленным передним
фронтом (рис. 49, б), то фронт сам собой выравнивается,
так как вогнутые его участки распространяются быстрее,,
чем выпуклые. Другой пример: если механическая вол-
на наталкивается на препятствие, она может отразиться
и пойти обратно. С волной возбуждения такого случиться
не может: сразу же за волной идет участок рефрактернос-
ти. Поэтому импульс^ идущий по волокнуj дойдя до его
концад исчезает,
202
Теперь представим себе, что у нас есть «кусок» двумер-
ной возбудимой среды с отверстием. Пусть нам удалось
запустить в нем волну возбуждения только в одном на-
правлении, как показано на рис. 50, а. (Как это сделать —
отдельный интересный вопрос. Советский ученый И. А. Ве-
тохин еще в 1926 г. запускал волну в кольцо, вырезанное
из колокола медузы — это тоже синцитий^— нагревая
Рис. 50. Особенности распространения возбуждения в синцитиях
и сердечные аритмии: а — движение волны возбуждения вокруг
«отверстия» — устья полой вены (модель предсердной аритмии
по Винеру и Розенблюту); б — «вихрь» возбуждения в трехмерном
синцитии
кусочек кольца, чтобы возбуждение туда не пошло, и ох-
лаждая его, когда возбуждение, обойдя кольцо, подхо-
дило к этому участку с другой стороны; импульс, запущен-
ный таким образом, мог циркулировать в кольце часами.)
Если отверстие достаточно велико, то возбуждение, обой-
дя его и вернувшись в исходное положение, застанет ткань
уже вышедшей из состояния рефрактерности и вновь по-
бежит по тому же пути. Длина границы отверстия., оче-
203
видно, должна быть не меньше скорости волны, умножен-
ной на длительность рефрактерного периода, тогда вол-
на будет все время бегать по возбудимой среде.
Еще в начале нашего века была высказана гипотеза,
что именно таким круговым движением волны объясняет-
ся опасное нарушение сердечного ритма — фибрилляция
(трепетание) предсердий. По этой гипотезе круговая вол-
на не дает распространяться обычной нормальной волне
возбуждения и нарушает сокращения сердечной мышцы.
Изучением фибрилляции занимались многие ученые.
Создатель кибернетики Н. Винер совместно с мексикан-
ским физиологом А. Розенблютом предложили в 1946 г.
первую математическую модель двумерной возбудимой
среды и начали рассматривать разные режимы распростра-
нения возбуждения в ней. В этих первых моделях еще ни-
как не учитывались физическая природа распространяю-
щихся волн и свойства синцитиальных тканей. В начале
60-х годов И. М. Гельфанд и М. Л. Цетлин на своем фи-
зиологическом семинаре *) рассмотрели более сложную
модель, приняв, что в такой возбудимой среде имеются
клетки, способные самопроизвольно возбуждаться с раз-
ными периодами. Участник того же семинара И. С. Ба-
лаховский показал, что в двумерной возбудимой среде
может возникнуть непрерывно крутящаяся спираль, да-
же если в среде нет отверстия.
Но особенно много интересных вещей о двумерных воз-
будимых средах и фибрилляции было выяснено в лабора-
тории Института биофизики АН СССР, которой заведует
В. И. Кринский, начавший эти исследования еще будучи
аспирантом Теоретического отдела. Об этих работах надо
было бы рассказывать в отдельной книге (такие книги су-
ществуют, но они не научно-популярные). В работах Крин-
ского показано, что ревербераторы (спиральные волны) мо-
гут возникать, исчезать, а также порождать много новых
ревербераторов (в получении этого результата участвовал
известный советский математик С, В. Фомин) и многое
другое.
Если предсердие можно рассматривать как двумерную
возбудимую среду, то ткань желудочка сердца, имеющего
большую толщину, необходимо рассматривать как среду
трехмерную. В таких средах возбуждение может вести се-
бя еще сложнее. Сотрудники Кринского показали, на-
Из этого семинара и вырос Теоретический отдел Института
биофизики АН СССР.
204
пример, что в такой среде вместо ревербераторов могут воз-
никать «вихри» — структуры вроде баранок, в которых
волны бегут, как на рис. 50, б, и которые движутся
в среде.
В этой главе мы смогли рассказать о некоторых резуль-
татах, полученных сотрудниками Теоретического отдела
Института биофизики АН СССР и других работавших
вместе с ними ученых. Когда мы писали эту главу, то про
себя часто повторяли: «Никто необъятного объять не мо-
жет». К сожалению, мы не смогли рассказать о работах,
из которых вырос «геометрический подход». А как пони-
мает читатель, у создателей геометрического подхода бы-
ли предшественники. Роль формы дендритов нервных кле-
ток начал изучать в США В. Ролл, влияние размеров
и входного сопротивления мышечных клеток на возникаю-
щие в них синаптические потенциалы — Б. Катц в Анг-
лии, особенности геометрической структуры тканей серд-
ца, важные для его функции,— физиологи Д. Вудбари и
В. Кри л л в США и австралийский математик Э. Джордж.
Все эти работы велись в конце 50-х или начале 60-х годов.
Все они содержали элементы геометрического подхода.
Это означало, что необходимость нового подхода объек-
тивно созрела, что эта идея «витала в воздухе».
Мы не смогли рассказать о многих работах наших то-
варищей, которые развивали геометрический подход на
самых разных объектах: о работах сотрудника Каунасско-
го медицинского института Ф. Ф. Букаускаса, который
получил много новых интересных данных о сердечном син-
цитии; о работах Н. В. Позина, который рассмотрел роль
геометрии клеток в переработке информации; о работах
А. Л* Вызова, Ю. А. Трифонова и Л. М. Чайлахяна, изу-
чавших слой горизонтальных клеток сетчатки, образую-
щих синцитий с необычными свойстами, и многих других.
Со времени возникновения геометрического подхода
прошло более четверти века. За это время он доказал свою
жизнеспособность, на его основе написаны сотни статей
и десятки книг в разных странах мира. И, встречая такую
статью в новом номере журнала, мы вспоминаем школь-
ное здание на Профсоюзной улице в Москве, где молодые
биологи, физики и математики давно уже не сущест-
вующего Теоретического отдела Института биофизики
АН СССР горячо обсуждали, что случится с нервным им-
пульсом, когда он подойдет к точке ветвления нервного
волокна, и почему входное сопротивление сердечной тка-
ни не меняется при ее возбуждении.
205
ГЛАВА 9
О МОЗАИКЕ КАНАЛОВ И НЕЙРОНОВ,
А ТАКЖЕ О ТОМ, КАК «ЖИВОТНОЕ
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» ИСПОЛЬЗУЕТСЯ
ДЛЯ РЕШЕНИЯ ВАЖНЫХ ЗАДАЧ
...Комбинаторика — это главный путь физиологической эво-
люции.
А. М. Уголев
Подобно тому как гигантский аксон кальма-
ра является образцом; нервного волокна, образцом нерв-
ной клетки является мотонейрон кошки (рис. 51). Эта клет-
ка имеет относительно большие размеры (около 30 мкм)
и поэтому наиболее детально изучена. Мотонейрон (МН)
имеет тело и дендриты, на которых расположены около
10 000 синапсов, образованных окончаниями других нерв-
ных клеток. От тела МН отходит выходной отросток — ак-
сон4 представляющий собой миелинизированное волок-
но. У его основания имеется особая структура —- аксон-
ный холмик; это часть МН5 имеющая мембрану с наиболее
низким порогом. Аксоны МН могут быть очень длин-
ными, например, у кошки — сантиметров 25, а у слона или
жирафа — и несколько метров. В конце аксон МН раз-
деляется на веточки — терминали, которые оканчиваются
на мышечных волокнах. Кроме того, еще внутри спинного
мозга, где лежат МН, аксон отдает боковые веточки (кол-
латерали^ которые идут к другим нервным клеткам.
Как работает обычная нервная клетка
Как же работает МН? Как он выполняет свою
функцию — управление волокнами скелетной мышцы?
Тело нейрона работает как сумматор потенциалов.
Постсинаптические потенциалы — возбуждающие и тормоз-
ные, вызванные сигналами других клеток в дендритах МН,
передаются по ним как по пассивному кабелю к телу МН
и складываются (конечно, с учетом знака) с потенциалами,;
возникающими прямо в теле (рис. 51, б). Как только сум-
ма потенциалов станет больше порога мембраны аксонно-
го холмика, в нем возникнет импульс. Этот импульс рас-
пространяется по аксону вплоть до его терминалей и
через нервно-мышечные синапсы, выделяющие ацетил-
холинг возбуждает мышечные волокна. Таким образом^
206
импульс, возникший в МН, вызывает сокращение всех мы-
шечных волокон, на которых оканчиваются веточки его
аксона.
Итак, для типичного нейрона характерно наличие
частей с разными свойствами и разными функциями,
Рис. 51. Схематическое изображение мотонейрона кошки (а)
и изменение потенциала в его теле при разных воздействиях (б).
Возбуждающий постсинаптический потенциал (ВПСП), возникаю-
щий в теле нейрона под действием нескольких синапсов (кривая 7),
тормозный синаптический потенциал (ТПСП) (кривая <?), сумми-
рование ВПСП и ТПСП (кривая 3).в — Временное суммирование
потенциалов: первый синаптический потенциал был подпороговым,
но второй такой же потенциал (момент его возникновения отмечен
стрелкой) сложился с первым и привел к возникновению импульса
(ср. с рис. 44, в)
покрытых разной мембраной. Тело нейрона работает как
аналоговая машина, обеспечивая суммирование сиг-
налов, приходящих к разным местам клетки и в раз-
ные моменты времени; аксонный холмик играет роль
запального капсюля; аксон уносит командный сигнал к
адресатам (рис, 51). Описанные нейроны могут выраба-
207
тывать и передавать достаточно сложные команды, нап
ример, для управления движениями. Конечно, такое уп-
равление осуществляет не одна клетка, а система взаи-
модействующих между собой нейронов.
Рассмотрим на нескольких примерах, как такие клеточ-
ные системы могут управлять некоторыми движениями.
Как бабочка складывает крылья
В 1984 г» на биологической олимпиаде
школьников МГУ была предложена следующая задача:
«Известно, что бабочка-крапивница предпочитает темпе-
ратуру 36 °C. Если на улице холодно и солнце не светит,
бабочка сидит с закрытыми крыльями. Если холодно, но
светит солнце, бабочка раскрывает крылья. Но как только
температура достигает 36 °C, бабочка складывает крылья.
Нарисуйте схему соединения нейронов, которая обеспечи-
вала бы такое поведение бабочки». Задача была дана в 10-м
классе и оказалась «убойной». Никто из школьников не
получил за нее «отлично», так как ни одной работоспособ-
ной схемы предложено не было, а многие школьники
вообще не могли понять, что от них требуется.
Эта задача, как очень многие задачи по биологии, не
имеет однозначного ответа. Можно придумать много схем,
удовлетворяющих ее условиям. Придумаем одну из воз-
можных. Прежде всего, можно предположить, что крылья-
ми бабочки по аналогии с мышцами-антагонистами у че-
ловека должны управлять две группы мышц: «опускатели»
крыла и «подниматели» крыла. Каждой группой управ-
ляют свои МН, которые мы будем обозначать МН0 и МНП.
На эти МН должны поступать сигналы о температуре и сол-
нечном свете. Тут также возможны разные решения. Пусть
клетка Т возбуждается и посылает импульсы, только ес-
ли температура выше 36 °C («тепло»), а клетка С —- когда
светит солнце («свет») (рис. 52).
По условию задачи при свете крылья раскрываются,;
поэтому соединим световой рецептор с МН0 (рис. 52, б). Ког-
да же температура поднимется выше 36 °C и заработает
тепловой рецептор, крылья должны закрыться. Значит,
надо соединить клетку Т с МНП возбуждающей связью.
Мышцу-антагониста (опускатель крыла) надо при этом
затормозить; для этого надо соединить тепловой рецептор
с МН0 тормозной связью. Но один и тот же нейрон, как
правило, не бывает и возбуждающим, и тормозным, поэто-
му для создания торможения надо поместить в эту линию
208
тормозный вставочный нейрон (интернейрон) (рис. 52, б).
Теперь если будет и светло, и тепло, то МН0 не будет ра-
ботать, так как на него приходят равные по величине^
но противоположные по знаку сигналы, которые не дове-
дут его до порога. Однако наша схема не полностью удов-
летворяет условиям задачи: если на улице холодно и солн-
ца нетЛ то по условию крылья должны быть закрыть^ а из
Рис. 52. Нейронные схемы, управляющие работой крыльев бабочки:
а — набор элементов, которые использованы при построении схемы
(МН0 — мотонейроны опускателей крыла, МНП — мотонейроны
поднимателед крыла, С — рецепторы света, Т — тепловые рецеп-
торы, X — холодовые рецепторы, ВС — возбуждающие синапсы,
ТС — тормозные синапсы); б — начальный этап построения схемы;
в — работоспособная схема; г — другой вариант работоспо собной
схемы
нашей схемы это не следует. Поэтому и вставлен в схему еще
один рецептор X, работающий, когда температура ниже
36 °C («холодно»). Соединим его с МНП возбуждающей
связью. Но, чтобы не испортить ситуацию «холодно и
светло», эта связь не должна работать, когда светит солн-
це. Значит, нужен еще один интернейрон, который будет
при освещении тормозить X (рис. 53, в).
Теперь наша схема будет работать. Для нее нам по-
требовалось 3 рецептора и 3 интернейрона. Можно сделать
схему и экономнее. Например, на рис. 52^ г приведена схе-
209
ма, в которой есть вставочный нейрон С А, все время ра-
ботающий сам по себе (такие нейроны называют спонтан-
ноактивными). Он будет все время стремиться закрыть
крылья, которые будут закрыты всегда, кроме ситуации, ко-
гда одновременно работают рецепторы X и С; в этом слу-
чае они возбуждают интернейрон ИН 2. Цифра «2» указы-
вает, что его порог так высок, что свет и холод по одиноч-
ке не способны его возбудить. Этот интернейрон при
возбуждении откроет крылья и затормозит спонтанно
активный интернейрон (СА). Вы видите, что в этой схеме
мы обошлись всего двумя типами рецепторов. Правда,
один из интернейронов в этой схеме обладает более хит-
рыми свойствами, чем стандартный нейрон: он может ра-
ботать сам по себе. О таких нейронах мы поговорим дальше
в этой главе.
Инженеры часто решают такие же задачи, как только
что решенная нами. Например, во многих домах есть лифт.
Допустим, что лифт пришел на первый этаж и дверь от-
крылась. Если никто не войдет в него, дверь закроется.
Если войдет, но ничего не будет делать, дверь останется
открытой. Если войдет и нажмет кнопку — дверь закро-
ется и включится двигатель. Тут тоже есть «МН» для двери
и для двигателя, есть рецепторы веса и нажатия на кноп-
ку, есть свой «мозг», но не из нейронов, а из реле. Сущест-
вует целая теория, позволяющая строить нужные логи-
ческие схемы для разных задач.
Как плавает пиявка
Схему поведения бабочки мы выдумали
сами: как она управляет своими крыльями на самом де-
ле — неизвестно. А есть ли случаи, когда удалось разоб-
раться в связях реально существующих нейронных схем
и понять, как они работают? Надо сказать честно, что
в случае позвоночных животных такие успехи довольно
скромны: слишком много у них нейронов. Но в случае бес-
позвоночных, у которых в ганглиях (нервных узлах) час-
то всего несколько сотен нейронов (причем каждый ней-
рон можно «узнать в лицо», так как он имеет особую фор-
му особое положение внутри ганглия и т. п.), успехи
более впечатляющие.
Мы расскажем вам для примера, как устроена нейрон-
ная сеть, обеспечивающая плавание пиявки.
Когда пиявка плывет, в каждом сегменте ее тела пооче-
редно сокращаются то спинные^ то брюшные продольные
210
мышцы, так что сегмент выгибается то вверх, то вниз. Со-
кращение в каждом сегменте возникает немного позднее,
чем в предыдущем сегменте. В результате по телу пиявки
бежит волна, тело периодически изгибается и пиявка плы-
вет. Как же устроено, что мышцы спины и брюшка сокра-
щаются поочередно?
Рассмотрим только один сегмент. В каждом сегменте пи-
явки имеется свой ганглий, а в нем-—около 200 нейронов.
Часть из них — МН, управляющие продольными мыш-
цами (рис. 53). При этом у пиявки,— в отличие от нас, но
Рис. 53. Нейрон-
ный генератор
плавания пиявки:
а — мышцы и мо-
тонейроны, ис-
пользуемые при
плавании (ВМН —
возбуждающие мо-
тонейроны, ТМН—
тормозные мото-
нейроны);
б — генератор из
четырех нейронов,
образующих тор-
мозное кольцо
подобно многим другим беспозвоночным — есть и возбуж-
дающие, и тормозные МН (у нас, т. е. млекопитающих, МН
могут только возбуждать мышечные волокна), причем тор-
мозные МН тормозят не только мышцу, но и возбуждаю-
щие МН. В ганглии находится так называемый генератор
плавания, образованный четырьмя нейронами (рис. 53, б)«
При плавании на все эти нейроны приходит возбуждаю-
щий сигнал.
Как же работает эта система?
Схема на рис. 53, б совершенно симметрична, нереаль-
но при подготовке к плаванию какие-то нейроны начина-
ют возбуждаться чуть раньше других. Пусть, например,:
первым возбудился нейрон 7, он сейчас же затормозит ней-
роны 3 и 4, и они будут «молчать». Нейрон 2 никем не тор-
мозится и возбудится под действием общего сигнала
вслед за нейроном 1. Когда это произойдет, затормозятся
нейроны 1я4. Теперь нейрон 3 никем не тормозится и че-
рез некоторое время он заработает, затормозив нейро-
ны 1 и 2. Таким образом, нейроны 1—4 будут поочеред-
но возбуждаться. Когда будет возбуждаться нейрон 1^ он
211
будет тормозить тормозные МН спинных мышц, тогда
возбуждающий МН заставит эти мышцы сократиться, и дан-
ный сегмент изогнется выпуклостью вниз. Когда будет воз-
буждаться нейрон 5, сегмент будет изгибаться в противо-
положную сторону. (Заметьте, что все нейроны в этой схе-
ме тормозные. Они работают, так сказать, по принципу
«минус на минус дает плюс».)
Впервые такое «тормозное кольцо» придумал совет-
ский ученый В. Л. Дунин-Барковский. А лет через десять
такое кольцо открыли у пиявки сотрудники Г. Стента —
знаменитого генетика, который последние годы увлекся
нейронными сетями беспозвоночных.
«Батареи» из нейронов
Мы могли бы рассказать вам еще немало о
таких относительно простых схемах из нейронов, объяс-
няющих, как отдергивается от прикосновения и уполза-
ет в норку дождевой червь, как плавает морской ангел *),3
размахивая своими крыльями (это выяснили московские
ученые, работающие в группе академика И. М. Гель-
фанда), как жует пищу улитка и т. д.
Однако перейдем к позвоночным. Дело в том, что, как
уже упоминалось, в нервной системе позвоночных, как
правило, выполнением любой функции занимаются не еди-
ницы или десятки, а тысячи и десятки тысяч клеток. В на-
ших схемах фигурировали одиночные нейроны и одиноч-
ные рецепторы — каждый изображал несколько сходных
клеток, имеющихся у беспозвоночных. А у позвоночных
животных даже система, управляющая отдельной мыш-
цей, более сложна: так, каждой крупной мышцей кошки
или человека управляет своя группа мотонейронов — так
называемый мотонейронный пул (MH-пул). В MH-пул вхо-
дят тысячи нервных клеток, многочисленные разветвле-
ния аксонов которых оканчиваются на мышечных волок-
нах. Через мотонейронный пул и происходит управление
работой мышцы, которая сама по себе тоже является до-
вольно сложным механизмом. Например, изучая работу
икроножной мышцы кошки, ученые обнаружили, что,
когда кошка стоит, возбуждаются только такие мышечные
волокна, которые обеспечивают относительно слабое на-
пряжение мышцы, но зато могут работать длительное вре-
*) Морской ангел — это моллюск; другие моллюски ползают
на ноге, а у этого из ноги образовались «крылья», на которых он
«порхает» в воде,
212
мя, не утомляясь; когда кошка бежит рысью, добавляют-
ся и другие, более «сильные» волокна; когда же кошка пус-
кается в галоп, спасаясь бегством, или прыгает за добы-
чей, подключаются особые мышечные волокна, которые
могут работать относительно недолго («утомляемые»),
но зато развивают большое усилие.
Как же нервная система обеспечивает управление та-
ким сложным хозяйством? Оказывается, для этого вовсе
не требуется «командовать» каждым мышечным волокном
в отдельности: достаточно менять только силу сигнала,,
приходящего на пул, а нужный порядок включения мы-
шечных волокон обеспечивается «геометрией» мотонейро-
нов пула — их размерами и «топографией», т. е. располо-
жением аксонов в мышце.
Оказывается, MH-пулы отличаются размерами, причем
чем крупнее нейрон, тем больше у него аксонных оконча-
ний и тем большее число мышечных волокон он возбужда-
ет. Самые же крупные МН имеют окончания именно на тех
мышечных волокнах, которые нужны для «авральной» ра-
боты — кратковременной, но с развитием больших уси-
лий (рис. 54, а).
Управлявшее команды от верхних отделов мозга при-
ходят по волокнам, которые равномерно распределе-
ны по всему MH-пулу (например, каждое волокно, при-
ходящее сверху, дает по 5 синапсов на каждом МН). Если
возбуждено небольшего число этих управляющих воло-
кон (или по всем этим волокнам приходят импульсы, но
с низкой частотой), возбудятся только самые мелкие МН
(вспомните гл» 8: «Спичкой можно зажечь хворостин-
ку. . .») и мышца будет развивать небольшое усилие. Чем
большее число управляющих волокон будет возбуждено,
тем большее число синапсов на МН будет активировано
и тем более крупные МН включатся в работу. Таким обра-
зом, управляя только одним параметром — числом возбуж-
денных нисходящих волокон, мозг включает в работу те
мышечные волокна, которые нужны для выполнения тре-
буемого движения.
Впервые гипотезу о том, что для управления МН-пу-
лом мышцы природа использует именно геометрические
различия размеров тел нервных клеток, высказал в 1965 г.
американский ученый Хеннеман. В дальнейшем эта ги-
потеза была подтверждена разнообразными эксперимен-
тами и получила название «принцип величины».
У этого способа управления MH-пулом есть один не-
достаток: сигнал^ необходимый для включения в работу
213
Рис. 54. Работа системы мотонейронов, управляющих сокращением
мышцы, а — «Принцип величины» в работе мотонейронного пула;
при слабых входных сигналах включаются только маленькие
мотонейроны и мышца развивает небольшую силу, увеличение
входного сигнала приводит к последовательному включению более
крупных мотонейронов — еще один пример роли геометрии в работе
нервно!! системы, б — Клетки Реншоу предохраняют маленькие
мотонейроны от перегрузки
214
больших МН, слишком велик для маленьких МН — он за-
ставил бы их работать со слишком большой частотой, что
может привести к гибели этих клеток. Чтобы этого не про-
исходило, в MH-пуле есть специальное защитное устрой-
ство — так называемые клетки Реншоу. К этим клеткам
идут специальные отростки аксонов МН, причем в основном
от больших МН. Клетки Реншоу — тормозные нейроны,
их аксоны оканчиваются на МН, причем преимущественно
на маленьких (рис. 54). Когда сигнал, приходящий на пул
сверху, велик, к маленьким МН приходит, с одной сторо-
ны, этот слишком большой для них сигнал, а с другой
стороны — тормозной сигнал от клеток Реншоу; эти сиг-
налы, имеющие разные знаки, складываются, и малень-
кие МН работают в нормальном для них режиме г
Частотное кодирование и нейроны
без импульсов
У обычного нейрона f с описания которого
мы начали эту главу, имеется возбудимая мембрана, кото-
рая в ответ на входной сигнал, достигший порога^ выдает
выходной сигнал в виде ПД всегда одной и той же формы
и амплитуды. Таким образом, ПД не несет никаких приз-
наков входного сигнала. Одна и та же клетка в нервной
системе может генерировать импульс и в ответ на свет5
и в ответ на звук, и если мы будем регистрировать импуль-
сы в ее аксоне, мы никаким способом не сможем узнать, по
какой причине они возникли.
Получается, что нейрон при передаче сигналов «обед-
няет» информацию. Правда, оказывается, что хотя ней-
рон ничего не может сообщить об источниках входных сиг-
налов, он может сообщить об их силе. Как это делается?
Амплитуда входного сигнала — это сумма (алгебраичес-
кая, конечно) всех синаптических потенциалов, создава-
емых активными синапсами. Пусть во время действия сиг-
нала амплитуда его не меняется (это значит, что постоян-
на разность между числом активных возбуждающих и чис-
лом тормозных синапсов). Тогда через мембрану нейрона
все время будет течь примерно постоянный синаптический
ток. Легко сообразить, что чем больше ток, идущий через
мембрану, тем с большей частотой будет работать нейрон
(рис. 55). Действительно, после каждого очередного им-
пульса мембрана нейрона гиперполяризуется, так как от-
крываются калиевые каналы. Чем больше ток, текущий
tчерез мембрану нейрона2 тем быстрее он возвратит его
215
потенциал к пороговому значению. Таким образом, чем
больше амплитуда входного сигнала, тем выше частота
выходных импульсов. Этот способ передачи информации
называют частотным кодированием.
Однако, оказывается, существуют нейроны совершен-
но другого типа, резко отличающиеся по способу своей
работы от «стандартных». Мембрана таких нейронов вооб-
ще невозбудима, т. е. не способна генерировать импуль-
сы. Поэтому при поступлении входного сигнала на такой
Рис. 55. Зависимость частоты разряда мотонейрона от силы депо-
ляризующего тока (сплошная кривая — сигнал сильный, МП быс-
тро достигает порогового значения Vp, штриховая кривая — сигнал
слабый, МП медленно достигает порогового значения Рр)
«безымпульсный» нейрон возникает не ПД определенной
амплитуды, а только сдвиг мембранного потенциала, тем
больший, чем больше сила сигнала. Этот сдвиг потенци-
ала электротонически передается по аксону к синапсам
и вызывает там выделение медиатора. Если на клетку при-
шел большой внешний сигнал и вызвал сильный сдвиг по-
тенциала, то медиатора выделяется больше и клетка силь-
нее воздействует на своего адресата. Таким образом, без-
ымпульсные нейроны передают входной сигнал аналого-
вым способом: здесь все величины (входной сигнал —
сдвиг мембранного потенциала — величина потенциала,,
передаваемого по аксону,— количество выделяющегося
медиатора) остаются непрерывными, не преобразуются
в дискретные стандартные импульсы.
Где же в нервной системе используются такие безым-
пульсные нейроны? Прежде всего, таковы многие рецеп-
торы, т. е. нервные клетки, которые реагируют на сигна-
лы из внешней среды (на свет, звук и т. д.). Например,}
безымпульсные нейроны глаза усоногого рака меняют под
216
действием света свой МП непрерывным образом и пере-
дают эти изменения (как мы рассказывали в гл. 6) электро-
тонически на расстояние в несколько сантиметров. Ре-
цепторы глаз человека и других позвоночных — палочки
и колбочки — тоже являются безымпульсными нейронамщ
Другие безымпульсные нейроны сами не являются ре*
цепторами, но собирают сигналы от рецепторов и переда-
ют их дальше аналоговым образом. Такой нейрон обна-
ружен, например, у речного рака; он собирает сигналы от
нескольких механорецепторов, и сдвиг его потенциала
пропорционален скорости движения воды относительно
тела, когда вода течет от хвоста к голове. Почему именно
в таком направлении? Потому, что рак пятится хвостом впе-
ред, и эти безымпульсные нейроны помогают ему измерять
скорость его попятного движения. В сетчатке человека
и животных безымпульсными являются не только палоч-
ки и колбочки, но и многие другие типы клеток, которые
получают сигнал от фоторецепторов. Вся обработка сиг-
налов в сетчатке в сложной сети этих разных типов клеток
осуществляется без импульсов, аналоговым образом. Ге-
нерируют импульсы только выходные клетки сетчатки —
ганглиозные клетки, которым нужно передать сигнал от
сетчатки в мозг по длинным аксонам, образующим зритель-
ный нерв.
Клетки-генераторы и мозаика каналов
Мы видели, что для генерации ритмических
движений при плавании в нервной системе пиявки имеет-
ся специальная схема из нейронов, которая генерирует
периодические сигналы. Оказывается, источником перио-
дических сигналов может быть и одиночный нейрон. Это
еще один очень важный тип «нестандартных» нейронов,,
часто тоже безымпульсных. Эти нейроны способны сами
по себе (даже будучи извлечены из организма) работать
ритмически: потенциал такого нейрона все время колеб-
лется, при деполяризации концевые веточки его аксона
выделяют больше медиатора, и он возбуждает обычные
импульсные нейроны, а при гиперполяризации выделение
медиатора прекращается.
Эти нейроны играют важную роль в управлении рит-
мическими движениями: ходьбой, полетом, дыханием и
т. д. Первый такой нейрон, управляющий вентиляцией
жабер краба, был открыт в 1971 г. А в 1975 г. был открыт
второй нейрон такого типа, управляющий передвижением
таракана. Потом были описаны нейроны^ с помощью ко-
217
торых поют цикады или работает желудочная мельница
омара. Недавно шведский ученый Стен Гриллнер обна-
ружил периодически работающие безымпульсные ней-
роны, которые обеспечивают плавание миноги. Это значит,
что и у позвоночных спонтанно активные безымпульсные
нейроны могут управлять движениями.
Вопрос о том, как возникает ритм в нейронах-генерато-
рах (как и об открывании и складывании крыльев бабоч-
ки), не имеет однозначного ответа. Прежде всего, сущест-
вует несколько принципиально разных способов органи-
зации такой ритмики. И первый из них — поместить в мем-
брану такого нейрона подходящий набор ионных кана-
лов (здесь читателю полезно вернуться к концу гл. %
и вспомнить, какие бывают ионные каналы). Однако
даже и в этом варианте задача не становится однозначной:
экспериментально показано, что в разных клетках рит-
мические колебания потенциала создаются разными набо-
рами ионных каналов.
Рассмотрим один из примеров ионного механизма ге-
нерации таких потенциалов. (Похожий механизм дейст-
вительно имеется в нейронах моллюсков и других беспоз-
воночных, но тут мы рассмотрим его идеализированный
упрощенный вариант.) Пусть у нас есть клетка, ПП кото-
рой равен —60 мВ; нас не интересует, за счет каких ка-
налов он создается, мы будем считать, что их относительно
мало и они создают относительно небольшие токи (за-
метим, что само понятие «потенциал покоя» можно приме-
нять к клеткам-генераторам в некотором условном смыс-
ле^ так как их потенциал все время колеблется, так что
«покой» таким нейронам «только снится» и даже не снится^
потому что они не спят). _ _____ __
Пусть, кроме того, в мембране этих нейронов есть еще
два типа каналов: кальциевые и калиевые. Кальциевые
каналы открываются при деполяризации и сами по себе
не закрываются, не инактивируются; чтобы они закры-
лись, надо либо гиперполяризовать клетку, либо накопить
в ней достаточно много кальция (такие каналы мы уже опи-
сывали в гл. 5). Калиевые же каналы устроены так, что
они открываются под влиянием кальция, действующего
с внутренней стороны мембраны, если его концентрация
достигает некоторого порогового уровня. Пусть, наконец,
ПП в —60 мВ является пороговым для кальциевых ка-
налов.
Такой нейрон будет работать следующим образом
(рис. 56х а). При МП в —60 мВ кальциевые каналы откро-
218
ются и ионы кальция начнут поступать в клетку, которая
деполяризуется, и это состояние будет некоторое время
сохраняться. Когда внутри клетки накопится достаточное
количество Са, кальций-чувствительные К-каналы откро-
ются и возникнет идущий наружу калиевый ток. Этот ток
Рис. 56. Ионные механизмы работы безымпульсного нейрона
(«) и «пачечного» нейрона (б)
гиперполяризует нейрон и Са-каналы закрываются. Са-
насосы постепенно снижают концентрацию Са внутри клет-
ки, интенсивность их работы снижается, и МП будет по-
степенно приближаться к «ПП». При достижении этого
уровня вновь откроются Са-каналы и цикл повторится.
Длительность цикла такого нейрона может быть раз-
ной в зависимости от чувствительности разных типов ка-
налов и от плотности этих каналов, обычно цикл довольно
велик (от десятых долей секунды до нескольких секунд).,
Нейроны работают с тем периодом, который характерен
для управляемого ими движения, Например^ бесспайко-
219
вый нейрон таракана работает в ритме ходьбы и управля-
ет сгибанием и разгибанием ног«
Описанный нами нейрон можно «остановить». Если на
него будут непрерывно действовать тормозные синапсы, то
нейрон будет гиперполяризован, а его Са-каналы все вре-
мя закрыты. Возможен и «обратный» вариант: если ПП та-
кого нейрона будет равен не —60 мВ, а, например, —70 мВ*
то нейрон будет «молчащим», пока на него не подействуют
возбуждающие синапсы, которые сдвинут его МП до
—60 мВ. Тогда в нейроне и начнутся ритмические ко*
лебания потенциала. Для управления ходьбой или по-
летом используются именно такие нейроны, в которых рит-
мические колебания потенциала могут запускаться и ос-
танавливаться. Ведь не может же насекомое всю жизнь
безостановочно бегать или летать!
Нейроны-гибриды
Давайте решим такую задачу. Пусть есть
два нейрона: первый—генератор ритма (ГР на рис. 56, б)$
а второй — стандартный, с обычной возбудимой мембра-
ной. Соединим их электрическим синапсом. Как будет ра-
ботать эта схема?
Легко понять, что как только МП первого нейрона дос-
тигнет порога возбуждения (точка 7Р), второй нейрон вы-
даст импульс, обычный ПД, стандартной амплитуды и дли-
тельности. Но период работы клетки-генератора гораздо
больше, чем длительность ПД. Кончится и рефрактерный
период, а генератор будет продолжать передавать на вто-
рой нейрон потенциал, достаточный для его возбужде-
ния,— возникнет новый импульс и т. д. Получается, что во
время деполяризации клетки-генератора на мембране вто-
рой клетки успевает возникнуть целая серия ПД, а во вре-
мя гиперполяризации получается пауза между сериями.
Оказывается, такая схема существует в действитель-
ности и в очень интересном воплощении: в одной и той же
клетке. В мембране такой клетки есть и Na-каналы, обес-
печивающие возникновение ПД, и весь механизм для гене-
рирования медленного ритма. Такой «гибрид» стандартно-
го нейрона и пейсмекера называют «пачечным» нейроном,
потому что он периодически выдает «пачки», т. е. серии
импульсов, разделенные паузами.
Еще одна задача. В мембране пачечного нейрона сое-
динены два набора каналов: от генератора ритма и от обыч-
ного нейрона. А теперь представим себе клетку-генератор^
220
из мембраны которой удалены калиевые каналы, откры-
вающиеся под действием кальция»
Легко понять, что такая клетка уже не будет генериро-
вать колебания: если мембрану деполяризовать настоль-
ко, чтобы открылись Са-каналы, то они все время остают-
ся открытыми на некотором новом равновесном уровне*
Получается, что у клетки будут два устойчивых уровня
МП: один — тот, к которому она приходит при закрытых
Са-каналах, а другой — тот, который устанавливается
при работе этих каналов. Такой нейрон можно перевести
из одного состояния в другие, действуя на него либо воз-
буждающими, либо тормозными синапсами.
Оказывается, что и такие «бистабильные» клетки тоже
встречаются в действительности.
Итак, в зависимости от того, какой набор ионных ка-
налов есть в мембране, можно получить обычный нейрон,
генерирующий ПД, можно получить безымпульсный ней-
рон (с колебаниями потенциала или без них), можно по-
лучить «пачечный» нейрон, «бистабильный» нейрон и
другие варианты *). Подобно тому как ребенок выкладывает
из мозаики разные картинки, природа с помощью раз-
ного набора ионных каналов обеспечивает разнообразие
свойств нейронов,; что и позволяет им выполнять
разные функции.
Мы видели, что сами каналы состоят из частей: «труб-
ка», «ворота», «реле». Видимо, как это предполагает
П. Г. Костюк, они могут соединяться в разных сочетани-
ях, давая каналы с разными свойствами. Точно так же на
следующем уровне каналы, собираясь в разных сочетани-
ях в мембране одного нейрона, могут определять его свой-
ства. Наконец, из нейронов с разными свойствами образу-
ются разные нейронные сети. Природа широко исполь-
зует метод «блочного строительства».
А теперь вернемся еще раз к нейронам-генераторам.
Мозаика ионных каналов —• это один из способов создать
колебания потенциала. Возможен и другой. Сейчас от-
крыты колебательные химические реакции, во время ко-
торых компоненты реакции периодически меняют свою
*) Биофизик из Каунаса А. М. Гутман показал, что и обычный
мотонейрон может работать в режиме клетки-гибрида. В дендритах
МН есть кальциевые каналы без инактивации. При сильном раздра-
жении дендритов эти каналы открываются и дендриты переходят
в состояние устойчивой деполяризации. При этом они все время
гонят ток в тело' мононейрона и в теле возникает непрерывная рит-
мическая последовательность ПД.|
221
концентрацию. В открытии этих реакций и в том, что
они. получили широкое признание, важную роль играли
советские ученые Б. П. Белоусов, А. М. Жаботинский
и С. Э. Шноль. Представьте себе, что один из компонен-
тов такой колебательной реакции умеет открывать ион-
ные каналы и деполяризовать клетку (мы уже рассказы-
вали вам, что существуют ионные каналы, управляемые
изнутри клетки). Это будет принципиально другой способ
работы нейронов-генераторов, так как тут автоколебатель-
ная система находится не в мембране клетки, а в цито-
плазме, и образована не совокупностью ионных каналов,
а цепью химических реакций. Этот способ генерации ко-
лебаний интересен тем, что он связывает электрические
мембранные процессы с биохимией клетки, с обменом ве-
ществ.
А теперь о сердце
Если вы спросите у биолога: «Что заставля-
ет сердце биться?», то он ответит вам вопросом на вопрос:
«У какого животного?», и неспроста. Оказывается, у раз-
ных животных сердечный ритм создается по-разному.
Наиболее естественно предположить, что «водителями»
сердечного ритма являются уже знакомые нам клетки-
генераторы. И действительно, например, у краба или ома-
ра есть специальный нервный ганглий из 9 клеток, управ-
ляющий сокращениями сердца. Среди этих клеток есть
клетки-генераторы, почти такие же, как те, о которых мы
только что рассказывали. Особенность клеток сердечных
ганглиев состоит в том, что в их аксонах есть Na-каналы,
т. е. мембрана их аксонов возбудима. Это похоже на вы-
думанную нами «гибридную схему», причем аксон играет
роль клетки 2. Когда тело клетки сердечного ганглия
деполяризовано, в аксоне возникает пачка импульсов,
вызывающая сокращение сердечной мышцы. Без этих
нервных клеток сердце краба останавливается.
А вот если взять сердце лягушки или даже млекопи-
тающего и, перерезав все ведущие к нему нервы, поместить
его в питательный раствор, оно будет ритмически сокра-
щаться. На первый взгляд, это показывает, что нервная
система не участвует в генерации сердечного ритма у поз-
воночных. Но с другой стороны, в ткани самого сердца
среди мышечных имеются и нервные клетки, и нет способа
удалить все эти клетки из сердца. Поэтому вполне возмож-
но, что именно эти нервные клетки и заставляют сердце
биться, т. е. все происходит так же, как у краба. В конце
222
прошлого века среди физиологов и был распространен
этот «второй взгляд»: так называемая нейрогенная теория
сердечного ритма.
Однако около ста лет тому назад английский физио-
лог Гаскелл подверг эту теорию серьезной критике и вы-
двинул ряд аргументов в пользу того, что к самопроизволь-
ной ритмической активности способны сами мышечные
клетки некоторых участков сердца («миогенная теория»).
Свыше полувека шла плодотворная научная дискуссия,
которая в конце концов привела к победе миогенной те-
ории. Оказалось, что в сердце действительно есть два уча-
стка особой мышечной ткани, клетки которой обладают
спонтанной активностью. Один участок находится в пра-
вом предсердии (его называют сино-атриальным узлом),
другой — на границе предсердия и желудочка (так на-
зываемый атрио-вентрикулярный узел). Первый обладает
более частым ритмом и определяет работу сердца в нор-
мальных условиях (тогда говорят, что у сердца синусовый
ритм), второй является запасным: если первый узел ос-
танавливается, то через некоторое время начинает рабо-
тать второй участок и сердце начинает биться снова, хотя
и в более редком ритме. Если выделить из того или друго-
го участка отдельные мышечные клетки и поместить их
в питательную среду, то эти клетки продолжают сокра-
щаться в свойственном им ритме: синусные — чаще, ат-
рио-вентрикулярные — реже.
Очень интересно, что даже после победы миогенной
теории идея спонтанной активности длительное время
была чужда многим биологам. Они говорили, что всякая
реакция должна быть ответом на какое-то воздействие,
подобно рефлексу. По их мнению, признать, что мышеч-
ные клетки могут сокращаться сами по себе,— все равно,
что отказаться от принципа причинности. Сокращение
сердечных клеток готовы были объяснить чем угодно, но
только не их собственными свойствами (например, особы-
ми фантастическими гормонами или даже действием кос-
мических лучей). Наше поколение еще застало горячие
дискуссии по этому поводу.
Как же ведет себя потенциал сердечных клеток-
пейсмекеров? Сравним поведение МП гигантского аксона
кальмара и клетки синусного узла. В аксоне кальмара уро-
вень ПП является устойчивым: при небольших отклоне-
ниях МП от ПП в любую сторону — в сторону гиперпо-
ляризации или в сторону деполяризации — возникает
калиевый ток, направленный так, что равновесие восста-
223
навливается. После возбуждения МП также возвращает-
ся к ПП (рис. 57, а),
В отличие от потенциала гигантского аксона по-
тенциал клетки синусного узла после возникновения ПД
не удерживается на каком-либо равновесном 'уровне;
он начинает опять сдвигаться в сторону деполяризации,
а
б
Рис. 57. Сравнение ПД нервного волокна и сердечного пейсмекера
(а) и зависимость периода возбуждения клетки-пейсмекера от
скорости нарастания её мембранного потенциала (б).
пока не достигнет порогового уровня, после чего возника-
ет новый ПД (рис. 57, а). Эти непрерывные периодиче-
ские изменения МП обусловлены набором ионных каналов
и насосов, присущих клеткам сино-атриального узла,
224
Редкий случай, когда «уравниловка»
полезна
Итак, ритмические сокращения сердца вы-
зываются не нервными клетками, а собственными клетка-
ми этой мышцы. Более точно, следовало бы сказать, что
в процессе эволюции клетки сердца разделили свои функ-
ции: одни — клетки ведущих узлов сердца — «на-
учились» подобно нейронам-пейсмекерам генерировать
ритмические импульсы, другие — клетки проводящей
системы — подобно аксонам проводить возбуждение,
а третьи остались при своей старой «специальности»:
они под действием этих импульсов сокращаются, выпол-
няя главную работу сердца (их так и называют — ра-
бочий миокард).
Резонно спросить, зачем же сердцу другие, «настоящие»
нервные клетки — помните, мы сказали, что сердце не-
возможно отделить от них. Эти клетки выполняют либо
рецепторные функции, либо участвуют в регуляции ча-
стоты и силы сердечных сокращений. Часть этих нервным
клеток и получает сигналы извне (вспомните, например,
как мы рассказывали, что блуждающий нерв замедля-
ет сердечный ритм,— это влияние осуществляется через
внутрисердечные нейроны).
Но кроме этой нервной регуляции в сердце есть еще
важный механизм, обеспечивающий регулярность нор-
мального ритма сокращений, так сказать, механизм ста-
билизации сердечного ритма. Дело в том, что, как показали
эксперименты, каждая клетка синусного узла по отдель-
ности работает не вполне ритмично: промежутки между
возникающими в ней импульсами могут самопроизволь-
но меняться в 2—3 раза. Это связано с маленькими раз-
мерами клеток, из-за чего они чрезвычайно чувствитель-
ны ко всякого рода воздействиям. Даже в питательной
среде, где искусственно поддерживаются весьма стабиль-
ные условия, в самой клетке могут возникать неболь-
шие колебания мембранного потенциала (например, из-
за случайного одновременного открывания каких-то
каналов). Если такое колебание попадает на стадию мед-
ленной деполяризации клеток синусного узла, когда по-
тенциал приближается к пороговому значению очень
медленно (см. рис. 57, б), то, как легко понять из рис. 57, в,
даже небольшие колебания потенциала могут значитель-
но сократить или, наоборот, увеличить время между по-
следовательными возбуждениями клеток. В условиях
3 М. Бг Беркинблит, Е. Г4 Глаголева 225
организма внешние условия, в принципе, не могут быть
абсолютно стабильными, и там естественно ожидать еще
больших колебаний периода. Как же получается, что
сердце бьется ритмично? Может быть, среди сотен ты-
сяч клеток-пейсмекеров синусного узла есть клетки с осо-
бенно устойчивым периодом? И вообще, какая из этих
клеток задает ритм сердцу? Оказывается, никакая.
И никаких особо устойчивых клеток в синусном узле нет.
Устойчивый ритм возникает совсем иначе.
Клетки-пейсмекеры, как и другие клетки сердца, свя-
заны между собой высокопроницаемыми контактами,
о чем рассказывалось в гл. 7. Поэтому если какая-то
клетка начинает деполяризоваться быстрее других, то
между ней и соседями возникает разность потенциалов
и между ними текут токи, которые замедляют ее деполя-
ризацию и ускоряют деполяризацию соседей. Из этого
следует, что электрическая связь между клетками во
время медленной деполяризации будет способствовать
урежению сокращений более быстрых клеток и учащению
сокращений более медленных, так что в результате будет
возникать некоторый промежуточный ритм.
Таким образом, ритм сердцу задает не одна клетка,
а группа, «коллектив», связанных между собой клеток,
потенциалы которых усредняются, уравниваются между
собой. Процесс усреднения потенциала приводит к тому,
что его случайные колебания, возникающие в отдельных
клетках, сглаживаются, что и приводит к увеличению
регулярности ритма группы связанных между собой кле-
ток (подробнее эта проблема будет рассмотрена в следую-
щей главе). Как мы уже говорили, у одиночной клетки
в питательной среде интервал между возбуждениями ме-
няется в 2—3 раза. Если выращивать в такой среде аг-
регаты из 100 связанных между собой клеток, то в таком
агрегате промежутки между сокращениями колеблются
всего на 20%. Вообще, коэффициент вариации периода
оказался пропорциональным примерно корню квадратному
из числа связанных клеток. Удалось показать, что в серд-
це млекопитающих ритм задает коллектив, состоящий
примерно из 5 000 спонтанно активных клеток: большое
число взаимодействующих клеток обеспечивает достаточ-
но высокое постоянство ритма.
В гл. 7 мы говорили, что существование высокопро-
ницаемых контактов обеспечивает распространение воз-
буждения по миокарду; теперь мы видим, что те же кон-
такты обеспечивают постоянство сердечного ритма,
226
Теор ия — прак тике
Зная механизм стабилизации ритма сердца,
легко предвидеть, что нарушение работы высокопрони-
цаемых контактов может вызвать сердечные аритмии.
Как показал Ф. Ф. Букаускас из Каунаса, нарушения
проведения через такие контакты являются одной из при-
чин аритмий и даже ревербераторов, возникающих при
операциях на охлажденном сердце.
Вообще, следует сказать, что, как во всякой науке,
в электрофизиологии выяснение причин какого-то явле-
ния позволяет на него целенаправленно влиять. Практи-
чески это дает в руки врачей новые средства. Например,
после того, как выяснилось, что работа сердца управля-
ется электрическим сигналом и что некоторые заболева-
ния объясняются дефектами того участка сердца, где воз-
никает этот сигнал, появилась идея подавать такой элек-
трический сигнал на сердце искусственно. Эта идея в кон-
це концов привела к разработке электростимуляторов.
Это прибор, вырабатывающий периодический электриче-
ский импульс и через провода, вживленные в область
синусного узла, подающий этот импульс на сердце. Сей-
час благодаря появлению электростимуляторов десятки
тысяч людей, ранее обреченных на больничный режим и
даже гибель, ведут практически нормальный образ жизни.
Другой пример. Существует множество теоретических
и экспериментальных работ о природе сердечных аритмий,
в которых рассматривается, как будет влиять на аритмию
изменение того или иного клеточного параметра, блокада
того или иного ионного канала и т. д. Много интересных
работ в этом направлении было сделано сотрудником
Кардиологического центра АМН СССР Л. В. Розен-
штраухом, который совместно со своими коллегами создал
одно из лучших в настоящее время лекарств для лече-
ния аритмий.
Чуть-чуть о дыхании
Рассмотрим теперь еще один важнейший
биологический процесс — дыхание. Дыхание сходно с ра-
ботой сердца в том отношении, что оно продолжается всю
жизнь, и этим оно отличается от ходьбы или плавания.
Но в то время как работа сердца обеспечивается коллек-
тивом клеток-пейсмекеров синусного узла, где каждая
клетка — генератор, работа дыхательных мышц управля-
ется нейронной сетью, расположенной в продолговатом
8*
мозге («дыхательный центр»), и нейроны этой сети по от-
дельности не способны к генерации ритма. Шведским уче-
ным К. Эйлером на основании массы разнообразных экс-
периментов предложена такая схема работы дыхательно-
го центра (рис. 58, а). В сети имеется группа возбуждаю-
щих нейронов, связанных многочисленными связями,
Рис. 58. Некоторые колебательные системы: а — нейронный гене-
ратор дыхания (слева нейронная сеть с самовозбуждением, где
развивается «цепная реакция», справа — тормозные нейроны,
«сбрасывающие систему на ноль», внизу — график суммарной
импульсации, поступающей к мышцам); б — кошка
Когда некоторые нейроны этой сети возбуждаются, то
в ней начинается цепная реакция, т. е. в последующие
моменты времени возбуждается больше клеток, чем в пре-
дыдущий, и число импульсов в системе растет подобно
тому, как растет число нейтронов в куске урана при ядер-
ной цепной реакции. Кроме того, в сети имеются тормоз-
ные клетки cl достаточно высоким порогом возбуждения
и на них оканчиваются аксоны от возбуждающих нейро-
нов сети. Когда уровень «цепной реакции» становится до-
статочно высоким, тормозные нейроны срабатывают и
228
затормаживают возбуждающие нейроны, во всяком слу-
чае, большинство из них. Но от этого и сами тормозные
нейроны замолкают, так как возбуждать их некому, и
все начинается сначала. Во время развития цепной реак-
ции происходит вдох, а в то время, когда она заторможена,
— пассивный выдох (рис. 58,а).
Сотрудниками академика И. М. Гельфанда (Г. Н. Ор-
ловским и др.) показано, что такой же нейронной схемой
управляются чесательные движения кошки. Мы наде-
емся, что теперь, когда вы увидите присевшую кошку,
которая нагнула голову и чешет быстро колеблющейся
вытянутой задней лапой ухо или шею (рис. 58, б), вы
будете вспоминать о работе нейронных сетей.
ГЛАВА 10
ВОРОТА В МИР
Не может ли он (электрический флюид) быть причиною всех
ощущений в других (кроме языка) органах чувств?
А. Вольта
Две тысячи лет назад Аристотель написал,
что у человека существуют пять чувств: зрение, слух,
осязание, обоняние и вкус. За два тысячелетия ученые
неоднократно открывали органы новых «шестых чувств»,
например вестибулярный аппарат (орган равновесия)
или температурные рецепторы. Эти органы чувств часто
называют «ворота в мир»: они позволяют животным .ори-
ентироваться во внешней среде и воспринимать сигналы
себе подобных. Однако не меньшее значение в жизни жи-
вотных играет и «взгляд внутрь себя»; ученые открыли
разнообразные рецепторы, измеряющие кровяное давле-
ние, содержание сахара и углекислого газа в крови, ос-
мотическое давление крови, степень растяжения мышц
и т. д. Эти внутренние рецепторы, сигналы которых, как
правило, не доходят до сознания (и не загружают его),
позволяют нашей нервной системе управлять разнообраз-
ными процессами внутри организма.
Из сказанного ясно, что классификация Аристотеля
явно устарела и сегодня число разных «чувств» оказалось
бы весьма велико, особенно если рассматривать органы
чувств разнообразных организмов, населяющих Землю.
Вместе с тем, по мере изучения этого разнообразия
обнаружилось, что в основе работы всех органов чувств
лежит один принцип. Внешнее воздействие (свет, на-
гревание, давление и т. д.) принимается специальными
клетками — рецепторами и меняет МП этих клеток. Этот
электрический сигнал называют рецепторным потенци-
алом. А дальше рецепторный потенциал управляет либо
выделением медиатора из рецепторной клетки, либо ча-
стотой ее импульсации. Таким образом, рецептор — это
преобразователь внешних воздействий *) в электрические
сигналы, как об этом гениально догадался Вольта,
*) В некоторых книгах говорится, что рецептор преобразует
энергию внешнего воздействия в электроэнергию. Это утверждение,
вообще говоря, неверно, Возьмем для примера механорецептор, Ес^
230
Рецепторы передают сигналы в нервную систему, где
происходит их дальнейшая обработка. (Как именно она
происходит — это очень интересно, но, к сожалению,
для рассказа об этом нужна другая книга, и мы коснем-
ся обработки информации, идущей от рецепторов, весьма
поверхностно. Надо только подчеркнуть, что от понима-
ния работы рецепторных клеток до понимания работы ор-
ганов чувств — «дистанция огромного размера». Мы
можем в деталях знать, как работает фоторецептор, при-
нимающий световые сигналы, но это, конечно, не позволя-
ет нам понять, как мы узнаем своего знакомого.)
В старые времена на производстве приборы распола-
гались непосредственно у мест измерения. Например, каж-
дый паровой котел был снабжен своим термометром и ма-
нометром. Однако в дальнейшем такие приборы, как пра-
вило, заменяли датчиками, преобразующими температуру
или давление в электрические сигналы (например, ставили
термопары и тензодатчики); эти сигналы можно было
легко передать на расстояние. Теперь оператор смотрит
на щит, где собраны приборы, показывающие температуру,
давление, скорость вращения турбины и т. д., и не должен
обходить по очереди все агрегаты (пока пойдешь к одно-
му котлу, с другим может что-то случиться). Фактически,
живые организмы выработали такую прогрессивную си-
стему измерения разных величин за сотни миллионов лет
до возникновения техники. Роль щита, на который посту-
пают все сигналы, играет при этом мозг.
Разнообразные рецепторы естественно классифициро-
вать по типам воспринимаемых ими внешних воздействий.
Например, такие разные рецепторы, как рецепторы орга-
на слуха, рецепторы органа равновесия, рецепторы, обес-
печивающие осязание, реагируют на внешние воздействия
одного и того же типа — механические. С этой точки зре-
ния можно выделить следующие типы рецепторов.
1) Фоторецепторы, клетки, реагирующие на электро-
магнитные волны, частота которых лежит в определенном
диапазоне (у разных организмов границы этого диапазо-
на несколько отличны; например, насекомые, а как сей-
час оказалось, и птицы видят невидимый для нас ультра-
фиолет).
2) Механорецепторы, клетки, реагирующие на смеще-
ли положить на механорецепторную клетку грузик, то возник-
нет сдвиг МП. Этот сдвиг будет сохраняться до тех пор, пока грузик
не сняли. Так как грузик лежит неподвижно, то никакой работы
не совершается и никакой энергии внешнего воздействия нет^
пие их частей друг относительно друга (деформацию мем-
браны, растяжение дендритов и т. д.); к механорецепто-
рам, как уже говорилось, относятся и клетки, восприни-
мающие звуки, т. е. колебания воды и воздуха определен-
ной частоты, и осязательные механорецепторы, и клетки
органов боковой линии рыб, воспринимающие движение
воды относительно тела рыбы, и клетки, реагирующие на
растяжение мышц и сухожилий, и др.
3) Хеморецепторы, клетки, реагирующие на те или
иные химические вещества; их деятельность лежит в ос-
нове работы органов обоняния и вкуса.
4) Терморецепторы, клетки, воспринимающие темпе-
ратуру.
5) Электрорецепторы, клетки, реагирующие на элек-
трические поля в окружающей среде.
Пожалуй, эти пять типов рецепторов мы поставили
бы сегодня на место пяти чувств, описанных Аристотелем.
Давайте рассмотрим теперь для примера один из ти-
пов рецепторных клеток — фоторецепторы.
Фоторецепторы
Фоторецепторы сетчатки позвоночных —
это палочки и колбочки. Еще в 1866 г. немецкий анатом
М. Шульц обнаружил, что у дневных птиц (кур) в сет-
чатке в основном находятся колбочки, а у ночных птиц
(сов) — палочки. Он сделал вывод, что палочки служат
для восприятия слабого света, а колбочки — сильного.
Этот вывод подтвердился последующими исследованиями.
Сравнение разных животных добавило много аргументов
в пользу этой гипотезы: например, у глубоководных рыб
с их огромными глазами в сетчатке имеются только па-
лсчки.
Посмотрите на рис. 59. На нем изображена палочка
позвоночного животного. У нее есть внутренний сегмент
и наружный сегмент, соединенные шейкой. В области
внутреннего сегмента палочка образует синапсы и выде-
ляет медиатор, действующий на связанные с ней нейроны
сетчатки. Медиатор выделяется, как и у других клеток,
при деполяризации. Во внешнем сегменте имеются осо-
бые образования — диски, в мембрану которых встроены
молекулы родопсина. Этот белок и является непосредст-
венным «приёмником» света.’
При изучении палочек оказалось, что палочка может
быть возбуждена всего одним фотоном света, т. е. обладает
232
максимально возможной чувствительностью. При погло-
щении одного фотона МП палочки меняется примерно на
1 мВ. Расчеты показывают, что для такого сдвига потен-
циала надо повлиять примерно на 1 000 ионных каналов.
Как же один фотон может повлиять на столько каналов?
Было известно, что фотон, проникая в палочку, захва-
тывается молекулой родопсина и меняет состояние этой
Рис, 59. Работа палочек сетчатки: а — палочка в темноте, натри-
евые каналы наружного сегмента открыты, через них идет ток и
«подсаживает» калиевую батарейку, клетка деполяризуется и
медиатор выделяется в синаптическую щель; б — палочка на свету,
под действием света натриевые каналы закрываются, калиевая
батарейка перестает шунтироваться и внутренний сегмент палочки
гиперполяризуется, выделение медиатора ослабляется
молекулы. Но единственная молекула нисколько не луч-
ше одного фотона. Оставалось совершенно непонятным,
как эта молекула ухитряется изменить МП палочки, тем
более, что диски с родопсином электрически не связаны
с наружной мембраной клетки.
Разгадка работы палочек в основном была найдена
за последние несколько лет. Оказалось, что родопсин, пог-
лотив квант света, приобретает на некоторое время свой-
ства катализатора и успевает изменить несколько моле-
233
кул специального белка, которые вызывают, в свою очередь,
другие биохимические реакции. Таким образом, работа
палочки объясняется возникновением цепной реакции,
которая запускается при поглощении всего одного кван-
та света и приводит к появлению внутри палочки тысяч
молекул вещества, способного влиять на ионные каналы
изнутри клетки.
Что же делает этот внутриклеточный медиатор? Ока-
зывается, мембрана внутреннего сегмента палочки доста-
точно обычна — стандартна по своим свойствам: она со-
держит К-каналы, создающие ПП. А вот мембрана наруж-
ного сегмента необычна: она содержит только Na-кана-
лы. В покое они открыты, и хотя их не очень много (так что
удельное сопротивление этой мембраны весьма высоко,
порядка 1 МОм*см2), этого достаточно, чтобы идущий че-
рез них ток снижал МП, деполяризуя палочку (см.
рис. 59, а). Так вот, внутриклеточный медиатор способен
закрывать часть Na-каналов, при этом сопротивление на-
грузки растет и МП тоже нарастает, приближаясь к ка-
лиевому равновесному потенциалу (рис. 59, б). В резуль-
тате палочка при действии на нее света гиперполяризу-
ется.
А теперь на минуту задумайтесь над тем, что вы толь-
ко что узнали, и вы сильно удивитесь. Оказывается, на-
ши фоторецепторы выделяют больше всего медиатора в тем-
ноте, а вот при освещении они выделяют его меньше, и
тем меньше, чем ярче свет (чем ярче свет, тем больше мо-
лекул родопсина возбудится, тем больше внутриклеточ-
ного медиатора появится, тем больше Na-каналов закро-
ется, тем сильнее гиперполяризуется клетка, тем меньше
будет выделяться медиатора). Это удивительное открытие
было сделано в 1968 г. Ю. А. Трифоновым из лаборатории
А. Л. Бызова, когда о механизме работы палочек было
известно еще мало.
Итак, мы тут встретились еще с одним типом каналов —
Na-каналами, управляемыми изнутри клетки.
Если мы сравним фоторецептор позвоночного и беспоз-
воночного животного, то увидим, что в их работе очень
много общего: имеется пигмент типа родопсина; сигнал
от возбужденного пигмента передается к наружной мем-
бране с помощью внутриклеточного медиатора; клетка
не способна к генерации ПД. Различие же состоит в том,
что внутриклеточный медиатор действует у разных ор-
ганизмов на разные ионные каналы: у позвоночных он
вызывает гиперполяризацшо рецептора^ а у беспозвоноч-
234
пых, как правило,— деполяризацию (хотя бывают и ис-
ключения). Например, у морского моллюска — гребеш-
ка — при освещении рецепторов дистальной сетчатки
возникает их гиперполяризация, как у позвоночных, но
механизм ее совершенно другой. У гребешка свет увели-
чивает проницаемость мембраны к ионам калия и МП
сдвигается ближе к равновесному калиевому потенциалу.
Однако знак изменения потенциала фоторецептора не
слишком существен, его всегда можно изменить в ходе
дальнейшей обработки. Важно лишь, чтобы световой сиг-
нал надежно преобразовывался в электрический.
Давайте рассмотрим для примера дальнейшую судь-
бу возникшего электрического сигнала в зрительной си-
стеме уже знакомых нам усоногих раков*) (которыми так
много занимался Дарвин и у которых МП их фоторецеп-
торов без помощи импульсов передается на расстояние
до 3 см). У этих животных фоторецепторы при освещении
деполяризуются и выделяют больше медиатора, но это не
вызывает никакой реакции животного. Зато при затене-
нии глаз рак принимает меры: убирает усики и т, д.
Как же это происходит? Дело в том, что медиатор фото-
рецепторов усоногих раков тормозный, он гиперполяри-
зует следующую клетку нейронной цепи (она тоже без-
импульсная), и она начинает выделять меньше медиато-
ра, поэтому, когда свет становится ярче, никакой реак-
ции не возникает. Наоборот, при затенении фоторецептора
он выделяет меньше медиатора и перестает тормозить
клетку второго порядка. Тогда эта клетка деполяризует-
ся и возбуждает свою клетку-мишень, в которой возника-
ют импульсы. Клетка 2 в этой цепи называется И-клет-
кой, от слова «инвертирующая», так как ее основная
роль — менять знак сигнала фоторецептора. Усоногий рак
*) Раз уж мы тут снова вспомнили усоногих раков, то расска-
жем, кстати, какой новый «подарок» они сделали нейрофизиологам.
В 1987 г. у этих раков были открыты кальциевые ПД: по аксону
некоторой клетки распространялся импульс, но основную роль в его
генерации играли Са-каналы. Биологи, привыкшие, что ПД соз-
дается Na-каналами, были сильно удивлены. Интересно, что сама
клетка оказалась нейросекреторной (есть такие клетки, аксоны ко-
торых проводят импульсы, а сама клетка выделяет в кровь гормон).
Вы знаете, что выделение медиатора или других секретов идет
тогда, когда в клетку проникают ионы Са++; нейросекреторным
клеткам, которые выделяют много гормона, нужно много Са-каналов.
По-видимому, в нейросекреторных клетках усоногих раков плот-
ность Са-каналов оказалась высокой и в их аксонах, и эти каналы
оказались способными обеспечить проведение ПД.
235
имеет довольно примитивные глаза, да ему и немного надо;
он ведет прикрепленный образ жизни и ему достаточно
знать, что приближается враг (на него падает тень).
У других животных система нейронов второго и третьего
порядков устроена гораздо сложнее.
В фоторецепторах рецепторный потенциал переда-
ется дальше электротонически и влияет на количество вы-
деляющегося медиатора. У позвоночных или усоногих
раков и следующая клетка безымпульсная и только тре-
тий нейрон цепочки способен к генерации импульсов.
Г
слабо растянут
Рецепторный,
потенциал
Импульсация,
ибущаякмозгу
Рис. 60. Работа мышечного рецептора: а — рецепторное волокно
в покое, рецепторный потенциал не возникает и импульсы в нерв-
ную систему не поступают; б — волокно слабо растянуто, в «спи-
рали» возникает рецепторный потенциал, в нервную систему идут
импульсы; в — волокно сильно растянуто, величина рецепторного
пстенциала и частота импульсов, идущих к мозгу, возрастают
А вот в рецепторе растяжения наших мышц ситуация со-
вершенно иная.. Этот механорецептор представляет собой
окончание нервного волокна, обвивающееся спиралью
вокруг мышечного волокна (рис. 60). При растяжении
мышцы витки спирали, образованные безмиелиновой ча-
стью волокна^ отходят друг от друга и в них возникает
рецепторный потенциал — деполяризация^ обус лов лен-
236
ная открыванием Na-каналов, чувствительных к деформа-
ции мембраны; этот потенциал создает ток, идущий че-
рез перехват Ранвье того же волокна, и перехват генери-
рует импульсы. Чем сильнее растянута мышца, тем боль-
ше рецепторный потенциал и тем выше частота импульса-
ции (рис. 60). У этого механорецептора и преобразование
внешнего воздействия в электрический сигнал, т. е.
в рецепторный потенциал, и преобразование рецепторного
потенциала в импульсы реализуется участком одного
аксона.
Конечно, нам было бы интересно рассказать об устрой-
стве разных рецепторов разных животных, ведь по своей
конструкции и применению они бывают весьма экзоти-
ческими; однако каждый такой рассказ в конце концов
сводился бы к одному и тому же: как внешний сигнал пре-
образуется в рецепторный потенциал, который управляет
выделением медиатора или вызывает генерацию импуль-
сов.
Но об одном типе рецепторов мы все же еще расска-
жем. Это электрорецептор *). Его особенность состоит
в том, что сигнал, на который надо реагировать, уже
имеет электрическую природу. Что же делает этот рецеп-
тор? Преобразует электрический сигнал в электрический?
Электрорецепторы. Как акулы используют
закон Ома и теорию вероятностей
В 1951 г. английский ученый Лиссман изу-
чал поведение рыбы гимнарха. Эта рыба обитает в мутной
непрозрачной воде в озерах и болотах Африки и поэтому
не всегда может для ориентации пользоваться зрением.
Лиссман предположил, что эти рыбы, подобно летучим
мышам, используют для ориентации эхолокацию.
Удивительная способность летучих мышей летать
в полной темноте, не натыкаясь на препятствия, была об-
наружена очень давно, в 1793 г., т. е. почти одновремен-
но с открытием Гальвани. Это сделал Лазаро Спалланца-
ни **)— профессор университета в Павии (того, где рабо-
*) Подробные современные сведения об этом типе рецепторов
читатель может найти в книге: Броун Г. РИльинский О. Б. Фи-
зиология электрорецепторов.— Л.: Наука, 1984.
**) Этот замечательный исследователь открыл не только «виде-
ние ушами». Он, например, внес большой вклад в открытие регене-
рации, показав, что ящерица заново отращивает отброшенный
хвост, а тритон — отрезанную лапу.]
237
тал Вольта). Однако экспериментальное доказательство
того, что летучие мыши издают ультразвуки и ориенти-
руются по их эху, было получено только в 1938 г. в Гар-
вардском университете в США, когда физики создали ап-
паратуру для регистрации ультразвука.
Проверив ультразвуковую гипотезу ориентации гим-
нарха экспериментально, Лиссман отверг ее. Оказалось,,
что гимнарх ориентируется как-то иначе. Изучая поведе-
ние гимнарха, Лиссман выяснил, что эта рыба обладает
электрическим органом и в непрозрачной воде начинает
генерировать разряды очень слабого тока. Такой ток не
пригоден ни для защиты, ни для нападения. Тогда Лис-
сман предположил, что гимнарх должен обладать специ-
альными органами для восприятия электрических полей —
электросенсорной системой.
Это была очень смелая гипотеза. Ученые знали, что
насекомые видят ультрафиолет, а многие животные слы-
шат неслышимые для нас звуки. Но это было лишь неко-
торое расширение диапазона в восприятии сигналов,;
которые могут воспринимать и люди. Лиссман допустил
существование совершенно нового типа рецепторов.
Ситуация осложнялась тем, что реакция рыб на сла-
бые токи в это время была уже известной. Ее наблюдали
еще в 1917 г. Паркер и Ван Хойзер на сомике (все сомо-
образные, видимо, обладают электрорецепторами). Од-
нако эти авторы дали своим наблюдениям совсем другое
объяснение. Они решили, что при пропускании тока че-
рез воду в ней меняется распределение ионов, и это вли-
яет на вкус воды. Такая точка зрения казалась вполне
правдоподобной: зачем придумывать какие-то новые ор-
ганы, если результаты можно объяснить известными обыч-
ными органами вкуса. Правда, эти ученые никак не дока-
зывали свою интерпретацию; они не поставили контроль-
ного опыта. Если бы они перерезали нервы, идущие от
органов вкуса, так чтобы вкусовые ощущения у рыбы
исчезли, то обнаружили бы, что реакция на ток сохраня-
ется. Ограничившись словесным объяснением своих на-
блюдений, они прошли мимо большого открытия.
Лиссман же, напротив, придумали поставил множе-
ство разнообразных опытов и после десятилетней работы
доказал свою гипотезу. Примерно 25 лет назад существо-
вание электрорецепторов было признано наукой. Элек-
трорецепторы начали изучать, и вскоре они были обнару-
жены у многих морских и пресноводных рыб (акул, ска-
тов, сомов и др.), а также у миног. Примерно 5 лет назад
238
такие рецепторы были открыты у амфибий (саламандр и
аксолотля), а недавно — и у млекопитающих (утконосов)v
Где же расположены электрорецепторы и как они уст-
роены?
В начале этой главы мы уже упоминали,; что у рыб
(и амфибий) есть механорецепторы боковой линии, распо-
ложенные вдоль туловища и на голове рыбы; они воспри-
нимают движение воды относительно животного. Электро-
рецепторы — это другой тип рецепторов боковой линии♦
Во время эмбрионального развития все рецепторы боко-
вой линии развиваются из того же участка нервной си-
стемы, что и слуховые и вестибулярные рецепторы. Так
что слуховые рецепторы летучих мышей и электрорецеп-
торы рыб — близкие родственники.
У разных рыб электрорецепторы имеют разную ло-
кализацию — они располагаются на голове, на плавни-
ках, вдоль тела (иногда в несколько рядов), а также и
разное строение. Часто электрорецепторные клетки обра-
зуют специализированные органы. Мы рассмотрим тут
один из таких органов, встречающихся у акул и у скатов,—
ампулу Лоренцини (этот орган был описан итальянским
ученым Лоренцини в 1678 г.). Лоренцини думал, что ам-
пулы — это железы, вырабатывающие слизь рыбы (хо-
тя и не исключал других возможностей). Ампула Лорен-
цини представляет собой подкожный каналу один конец
которого открыт в наружную среду (его входное отверстие
называют порой), а другой оканчивается глухим расши-
рением (ампулой); просвет канала заполнен желеобраз-
ной массой; электрорецепторные клетки выстилают в один
ряд «дно» ампулы.
Интересно (действительно, ирония судьбы), что Пар-
кер, который впервые заметил, что рыбы реагируют на
слабые электрические токи, изучал и ампулы Лоренцини^
но приписал им совсем другие функции. Он обнаружил,)
что, надавливая палочкой на наружный вход канала
(«пору»), можно вызвать реакцию акулы (например, из-
менение частоты ударов сердца). Из таких опытов он сде-
лал вывод, что ампула Лоренцини — это манометр для
измерения глубины погружения рыбы, тем более, что по
строению орган был похож на манометр. Но и на этот раз
интерпретация Паркера оказалась ошибочной. Если аку-
лу поместить в барокамеру и создать в ней повышенное
давление (имитируя увеличение глубины погружения),)
то ампула Лоренцини на него не реагирует — и это можно
предвидеть^ не ставя эксперимента; вода давит со всех
239.
сторон и никакого эффекта нет *). А при давлении только
на пору в желе, которое ее заполняет, возникает разность
потенциалов, подобно тому как возникает разность потен-
циалов в пьезоэлектрическом кристалле (хотя физиче-
ский механизм возникновения разности потенциалов в ка-
нале другой).
Как же устроены ампулы Лоренцини? Оказалось, что
все клетки эпителия, выстилающего канал, прочно соеди-
нены между собой особыми «плотными контактами»', что
обеспечивает высокое удельное сопротивление эпителия
(порядка 6 МОм*см2). Канал, покрытый такой хорошей
изоляцией, проходит под кожей и может иметь длину
в несколько десятков сантиметров. Напротив, желе, за-
полняющее канал ампулы Лоренцини, имеет очень низ-
кое удельное сопротивление (порядка 30 Ом-см); это обес-
печивается тем, что в просвет канала ионные насосы на-
качивают много ионов К+ (концентрация К* в канале
заметно выше, чем в морской воде или в крови рыбы).
Таким образом, канал электрического органа представля-
ет собой отрезок хорошего кабеля с высоким сопротивле-
нием изоляции и хорошо проводящей жилой.
«Дно» ампулы устилают в один слой несколько десят-
ков тысяч электрорецепторных клеток, которые тоже
плотно склеены между собой. Получается, что рецептор-
ная клетка одним концом смотрит внутрь канала, а на
другом конце образует синапс, где выделяет возбуждаю-
щий медиатор, действующий на подходящее к ней оконча-
ние нервного волокна. К каждой ампуле подходят 10—
20 афферентных волокон и каждое дает много терминалей,,
идущих к рецепторам, так что в результате на каждое
волокно действуют примерно 2 000 рецепторных клеток
(обратите на это внимание — это важно!).
Посмотрим теперь, что происходит с самими электро-
рецепторными клетками под действием электрического
поля **).
*) Заметим, что забвение закона Паскаля (жидкости и газы
оказывают одинаковое давление во всех направлениях) — частая
причина разных ошибок. Нам, например, неоднократно приходилось
слышать от школьников, что раковины моллюсков, живущих на
большой глубине, защищают их от давления воды; как будто вода
давит только сверху на раковину, а отверстия в раковине, необхо-
димые для питания и дыхания моллюска, тут ни при чем.
**) Мы расскажем только о рецепторах костистых рыб, у кото-
рых они возбуждаются током, втекающим в канал («плюс» батарей-
ки у поры); у акул и скатов работа рецепторов гораздо сложнее,
240
Если любую клетку поместить в электрическом поле,)
то в одной части мембраны знак ПП совпадет со знаком
напряженности поля, а в другой окажется противополож-
ным (рис. 61). Значит, на одной половине клетки МП воз-
растет (мембрана гиперполяризуется), а на другой, наобо-
рот, снизится (мембрана деполяризуется). Получается^
Клетка вне поля
Клетка б поле
Рис. 61. Действие электрического поля на клетку
что всякая клетка «чувствует» электрические поля, т. ей
является электрорецептором. И понятно: ведь в этом слу-
чае отпадает проблема преобразования внешнего сигнала
в естественный для клетки — электрический. Таким обра-
зом, электрорецепторные клетки работают очень просто:
при надлежащем знаке внешнего поля деполяризуется
синаптическая мембрана этих клеток и этот сдвиг потен-
циала управляет выделением медиатора.
Но тогда возникает вопрос: в чем особенности электро-
рецецторных клеток? Может ли выполнять их функции
любой нейрон? Чему служит особое устройство ампул Ло-
ренцини?
Да, качественно, любой нейрон может считаться элект-
рорецептором, но если перейти к количественным оценкам,,
ситуация меняется. Естественные электрические поля
очень слабы, и все ухищрения, которые использует при-
рода в электрону вствительных органах, направлены на
то, чтобы, во-первых, поймать на синаптической мембране
возможно большую разность потенциалов, и, во-вторых,
обеспечить высокую чувствительность механизма выде-
ления медиатора к изменению МП.
Электрические органы акул и скатов обладают чрезвы-
чайно высокой (можно сказать, фантастически высокой!)
чувствительностью: рыбы реагируют на электрические по-
ля напряженностью 0,1 мкВ/см! Так что проблема чувст-
вительности решена в природе блестяще. Как же достига-
ются такие результаты?
Во-первых, обеспечению такой чувствительности спо-
собствует устройство ампулы Лоренцини. Если напря-
женность поля равна 0,1 мкВ/см, а длина канала ампулы
равна 10 см, то на всю ампулу придется разность потен-
циалов в 1 мкВ. Практически все это напряжение будет
падать на слое рецепторов, так как его сопротивление го-
раздо выше, чем сопротивление среды в канале. Акула
тут прямо использует закон Ома: V = IR, так как ток?)
текущий в цепи, один и тот же, то падение напряжения
больше там, где выше сопротивление. Таким образом, чем
длиннее канал ампулы и чем ниже его сопротивление, тем
большая разность потенциалов подается на электроре-
цептор.
Во-вторых, закон Ома «применяют» и сами электро-
рецепторы; разные участки их мембраны тоже имеют раз-
ное сопротивление: синаптическая мембрана, где выделя-
ется медиатор, имеет большое сопротивление, а противо-
положный участок мембраны — маленькое, так что и тут
разность потенциалов распределяется возможно выгоднее.
Что же касается чувствительности синаптической мем-
браны к сдвигам МП*), то она может объясняться раз-
ными причинами: высокой чувствительностью к сдвигу
потенциала могут обладать Са-каналы этой мембраны
либо сам механизм выброса медиатора. Очень интересный
вариант объяснения высокой чувствительности выделения
медиатора к сдвигам МП предложил А. Л. Бызов. Его
идея состоит в том, что в таких синапсах ток, генерируе-
мый постсинаптической мембраной, затекает в рецептор-
ные клетки и способствует выделению медиатора; в резуль-
тате возникает положительная обратная связь: выделение
медиатора вызывает ПСП, при этом через синапс течет
ток, а это усиливает выделение медиатора. В принципе,;
такой механизм обязательно должен действовать. Но и в
этом случае вопрос является количественным: насколько
эффективным является такой механизм, чтобы играть
какую-то функциональную роль? В последнее время
А. Л. Бызову и его сотрудникам удалось получить убеди-
тельные экспериментальные данные, подтверждающие, что
такой механизм действительно работает в фоторецепторах.
*) Такой же высокой чувствительностью к изменению МП
обладают синаптические образования и некоторых других рецепто-
ров (например, клетки органа слуха), где она намного выше, чем,
например, в нервно-мышечном синапсе»
242
Борьба с шумами
Итак, за счет разных ухищрений с исполь-
зованием закона Ома на мембране электрорецепторов соз-
дается сдвиг потенциала порядка 1 мкВ. Казалось бы,
что если чувствительность пресинаптической мембраны
достаточно высока — а это, как мы видели, действитель-
но так и есть,— то все в порядке. Но мы не учли, что по-
вышение чувствительности всякого прибора вызывает но-
вую проблему (будь то технический прибор или рецептор-
ная клетка) — проблему борьбы с шумами. Мы назы-
вали чувствительность электрорецептора, воспринимаю-
щего 1 мкВ, фантастической и теперь поясним, почему.
Дело в тому что эта величина гораздо ниже уровня шумов.
В люб. м проводнике носители зарядов (свободные
электроны, ионы) участвуют в тепловом движении, т. е.
хаотически движутся в разных направлениях. Иногда
больше зарядов движется в одном направлении, чем
в другом, а это означает, что в любом проводнике без вся-
кого источника э. д. с. возникают токи. Применительно
к металлам эта проблема была рассмотрена еще в 1913 г,
де-Гаазом и Лоренцем. Экспериментально тепловые шу-
мы в проводниках были обнаружены в 1927 г. Джонсо-
ном. В том же году Г. Найквист дал детальную и общую
теорию этого явления. Теория и эксперимент хорошо сог-
ласовывались: было показано, что интенсивность шума
(средний квадрат напряжения) линейно зависит от вели-
чины сопротивления и от температуры проводника. Это
естественно: чем больше сопротивление проводника, тем
больше разность потенциалов, которая на нем появляется
за счет случайно возникающих токов, а чем выше темпе-
ратура, тем больше скорость движения носителей заря-
дов. Таким образом, чем больше сопротивление провод-
ника, тем большие колебания потенциала возникают
в нем под действием теплового движения зарядов.
А теперь вернемся к электрорецепторам. Мы говорили,
что для повышения чувствительности в этом рецепторе
выгодно иметь возможно более высокое сопротивление
мембраны, чтобы на ней падала большая часть напряже-
ния. И действительно, сопротивление мембраны, которая
выделяет медиатор, у электрорецепторной клетки очень
велико, порядка 1010 Ом. Однако за все приходится пла-
тить: высокое сопротивление этой мембраны ведет к уси-
лению шумов. Колебание потенциала на мембране элект-
рорецептора за счет тепловых шумов равно примерно
243
30 мкВ, т. е. в 30 раз больше, чем минимальный воспри-
нимаемый сдвиг МП, возникающий под действием внеш-
него поля! Получается, что дело обстоит так, как будто
вы сидите в комнате, где разговаривают каждый о своем
три десятка человек, и пытаетесь вести разговор с од-
ним из них. Если громкость всех шумов будет в 30 раз вы-
ше, чем громкость вашего голоса, то беседа будет, конеч-
но, невозможна.
Как же акула «слышит» такой разговор сквозь тепло-
вые шумы? Не имеем ли мы дело с чудом? Конечно, нет.
Мы просили вас обратить внимание на то, что на одно вос-
принимающее волокно действуют синапсы примерно
2 000 электрорецепторов. Под действием тепловых шу-
мов в мембране то из одного, то из другого синапса выде-
ляется медиатор и аффрентное волокно даже в отсутствие
электрических полей вне рыбы все время импульсирует.
При появлении внешнего сигнала все 2 000 клеток выде-
ляют медиатор. В результате этого и усиливается внеш-
ний сигнал.
Подождите, скажет думающий читатель, ведь 2 000
клеток и шуметь должны сильнее! Выходит, если про-
должить аналогию с разговором в шумной комнате, что
100 человек легче перекричат трехтысячную толпу, чем
один — тридцать? Но, оказывается, в действительности,
как ни странно, тцк оно и есть. Наверно, каждый из нас
не раз слышал, как сквозь бурю аплодисментов пробива-
ются ритмичные, все усиливающиеся хлопки. Или сквозь
рев трибун стадиона отчетливо слышны возгласы: «Молод-
цы! Мо-лод-цы!», скандируемые даже не очень многочис-
ленной группой болельщиков. Дело в том, что во всех
этих случаях мы встречаемся с противоборством сигнала
организованного, синхронного, с шумом, т. е. сигналом
хаотическим. Грубо говоря, возвращаясь к электрорецеп-
торам, их реакции на внешний сигнал синхронны и скла-
дываются, а из случайных тепловых шумов совпадает во
времени только какая-то часть. Поэтому амплитуда сиг-
нала растет прямо пропорционально числу рецепторных
клеток, а амплитуда шума — значительно медленнее.
Но позвольте, опять может вмешаться читатель, если шум
в рецепторе всего в 30 раз сильнее сигнала, не слишком
ли расточительна природа? Зачем 2 000 рецепторов? Мо-
жет, хватило бы и ста?
Когда речь заходит о количественных проблемах, нуж-
но считать, а значит нужна математика. В математике есть
специальный раздел — теория вероятностей, в котором
244
изучаются случайные явления и процессы самой разной
природы (подобно тому как теория колебаний изучает
разные колебательные явления). К сожалению, с этим раз-
делом математики совсем не знакомят в общеобразова-
тельной школе (хотя знание ее основ необходимо не толь-
ко математикам, но практически каждому специалисту;
в частности, для биолога это один из самых важных разде-
лов математики). Поэтому нам придется воспользоваться
готовым результатом теории вероятностей, который при-
менительно к нашему случаю выражается так: уровень
шумов пропорционален п, где п — число рецепторных
клеток.
А теперь проведем простой расчет. Пусть внешнее по-
ле сдвинуло МП всех рецепторов на 1 мкВ. Тогда общий
полезный сигнал всех рецепторов будет равен 2 000 не-
ких единиц. Среднее значение шумового сигнала одного
рецептора примерно 30 мкВ, но общий шумовой сигнал
пропорционален 2000, т. е. равен всего 1350 едини-
цам. Мы видим, что за счет суммации эффекта от большо-
го числа рецепторов полезный сигнал в 1,5 раза превыша-
ет шум. Видно, что сотней рецепторных клеток обойтись
нельзя. А при отношении сигнала к шумух равном 1,5,
нервная система акулы уже способна этот сигнал обна-
ружить, так что никакого чуда не происходит.
Мы говорили, что палочки сетчатки реагируют на воз-
буждение всего одной молекулы родопсина. Но такое воз-
буждение может возникнуть не только под действием
света, но и под действием тепловых шумов. В результате
высокой чувствительности палочек в сетчатке должны
все время возникать сигналы «ложной тревоги». Однако
в действительности и в сетчатке имеется система борьбы
с шумами, основанная на том же принципе. Палочки свя-
заны между собой ЭС, что ведет к усреднению сдвигов их
потенциала, так что все происходит так же, как в электро-
рецепторах (только там усредняется сигнал в волокне
получающем сигналы от многих рецепторов, а в сетчатке —
прямо в системе рецепторов). А еще вспомните объедине-
ние через высокопроницаемые контакты спонтанно актив-
ных клеток синусного узла сердца, дающее регулярный
сердечный ритм и устраняющее колебания, присущие оди-
ночной клетке («шум»). Мы видим, что природа широко
использует усреднение для борьбы с шумами в разных
ситуациях.
Как же животные используют свои электрорецепто-
ры? О способе ориентации рыб в мутной воде мы подроб-
245
нее поговорим в дальнейшем. А вот акулы и скаты исполь-
зуют свои электрорецепторы при поисках добычи. Эти
хищники способны обнаружить скрытую под слоем песка
камбалу только по электрическим полям, генерируемым
ее мышцами при дыхательных движениях. Эта способ-
Рис. 62. Использование электрорецепторов акулой: а — акула
проплывает над камбалой, зарывшейся в песок, и нападает на нее;
б — камбалу накрывают агаровой камерой, которая проводит тск
так же, как морская вода, через камеру пропускают воду для дыха-
ния камбалы, но вода вытекает в стороне, что исключает обнаруже-
ние камбалы по запаху, акула правильно обнаруживает камбалу;
в — повторены условия опыта б, но камера покрыта изолятором,
акула проплывает мимо; г — в песке создается искусственное элек-
трическое поле, имитирующее поле, возникающее при дыхании
камбалы, акула нападает на электроды
ность акул была показана в серии красивых опытов* вы-
полненных Келмином в 1971 г, (рис. 62). Животное мо-
жет затаиться и не двигаться, может маскироваться под
цвет фона* но оно не может прекратить обмен веществ,
остановить работу сердца, перестать дышать, поэтому его
всегда демаскируют запйхи (результат обмена веществ),
а в воде — и электрические поля, возникающие при ра-
боте сердца и других мышц. Так что многих хищных рыб
можно назвать «электроищейками». Скаты могут обнару-
жить крабов по их биопотенциалам, а сомы могут обна-
ружить даже электрополя, создаваемые закопавшимися
в землю червями. Ученые начали изучать биопотенциалы
мышц или сердца только в XX веке, чтобы лечить людей,
а акулы используют эти электрические поля уже 200 млн
лет совсем в других целях,
ГЛАВА 1Г,
МАСТЕР НА ВСЕ РУКИ
До светла все у него пляшет,
Лошадь запряжет, полосу вспашет,
Печь затопит, все заготовит, закупит,
Яичко испечет да сам и облупит.
А. С. Пушкин
«Сказка о попе и о работнике его Балде»
Мы рассказали вам о многих функциях
электричества в живых организмах. Но не думайте, что
обо всех. Многое и многое не умещается в этой маленькой
книге. В этой главе мы расскажем вам еще о некоторых
функциях животного электричества, порой достаточно
неожиданных, а также об использовании электрических
явлений в медицине.
Электрическое оружие и электролокаторы
Нам уже не раз приходилось говорить об
электрических рыбах. В гл. 1 мы уже рассказывали,
что на них впервые достоверно установили возможность
выработки электричества животными, на них Фарадей
показал, что электричество животных ничем не отличает-
ся от электричества гальванических элементов или элект-
рических генераторов. Как же устроены электрические
органы рыб?
Основу этих органов составляют столбики из плоских
клеток (рис. 63, а), лежащих друг на друге, как пары
медь — цинк в вольтовом столбе или как стопка монет.,
К одной поверхности каждой клетки (на нашем рисун-
ке — к нижней) подходит нервное окончание. Когда ор-
ган находится в покое, обе стороны каждой клетки имеют
одинаковый потенциал (ПП) и ток через орган не идет.
Когда же по всем нервным волокнам одновременно при-
ходят импульсы, постсинаптическая (нижняя на рисунке)
мембрана резко повышает свою проницаемость к ионам
(«электрическая дырка») и потенциал на ней падает до
нуля. Это приводит к возникновению тока, текущего че-
рез клетку (рис. 63, б). Все клетки столбика соединены
последовательно и поэтому их потенциалы суммируются,
как в последовательно соединенных гальванических эле-
ментах. Такое объяснение дал работе электрических ор-
ганов рыб создатель мембранной теории биопотенциалов
247
Ю. Бернштейн в своей книге «Электробиология». Это объ-
яснение в своей основе оказалось верным, а для некоторых
электрических рыб (например, для скатов и звездочетов)
и вполне точным. Что касается электрического угря, то
у него мембрана той стороны клетки, на которую действу-
ет синапс, оказалась электрически возбудимой, так что
при приходе нервного импульса она не просто снижает
Рис. 63. Принцип работы электрических органов рыб: а — общее
строение электрического органа; б — работа электрического органа
ската (вверху — клетка в покое, внизу — состояние клетки в момент
возбуждения; справа — график тока, генерируемого клеткой);
в — работа клеток электрического органа угря
свой потенциал до нуля, а перезаряжается, что обеспечи-
вает более высокую разность потенциалов, генерируемую
каждой клеткой (рис. 63, в). У скатов и звездочетов клет-
ки электрических органов таковы, что ни одна из их мемб-
ран не способна генерировать импульсы.
Читатель уже знает, что одиночная клетка обладает
ПП порядка 60 мВ и даже при возбуждении возникающий
ПД имеет амплитуду всего порядка 120 мВ. Между тем,
электрический угорь умеет создавать напряжение 800—
900 В, а нильская щука и нильский сом — напряжение
200—350 В. Как говорилось, это обеспечивается последо-
вательным соединением многих клеток. У электрического
угря последовательно соединены более 6 000 клеток»
248
Однако задача электрического органа состоит не в том,
чтобы создать возможно большую э.д.с. Дело в том, что
часть э.д.с. всегда «теряется» на внутреннем сопротивле-
нии источника. А электрический орган должен обеспечи-
вать возможно большую разность потенциалов в наруж-
ной среде. Ясно, что чем большую силу тока обеспечит
электрический орган, тем больше будет и падение напря-
жения в наружной среде. Рассмотрим эту проблему более
подробно.
Сила тока, создаваемого электрическими органами
и текущего через воду, по закону Ома для всей цепи рав-
на: I = E/(R + г). Если у нас имеется много гальваниче-
ских элементов, то их можно соединить либо последова-
тельно, либо параллельно, либо смешанным образом,
образуя «столбики» из последовательно соединенных эле-
ментов и соединяя эти «столбики» параллельно друг дру-
гу. Пусть в нашем распоряжении имеется ограниченное
число элементов — п. Пусть сопротивление наружной
среды задано и равно 7?, а внутреннее сопротивление эле-
мента равно г и его э. д. с. равна Е. Как выгоднее соеди-
нить элементы, чтобы получить максимальную силу тока
в цепи, а значит и максимальное падение напряжения на
внешнем сопротивлении? Давайте будем соединять в один
столбик х элементов, тогда число столбиков будет равно
п/х. Общая э. д. с. такой системы будет равна Ех (после-
довательно соединено по х элементов). Внутреннее соп-
ротивление одного столбика будет равно гх, а полное
внутреннее сопротивление всей системы в п/х раз меньшев
т. е. равно гхЧп. Тогда для силы тока мы получим выра-
жение I — д • Это выражение имеет максимум,
когда гхЧп = /?, т. е. когда внутреннее сопротивление
всей системы равно внешнему.
А теперь посмотрим, в какой мере законы физики
влияли на' ход эволюции электрического органа. Для
пресноводных рыб сопротивление окружающей среды (Я)
весьма велико и для достижения максимального эффекта
необходимо увеличивать х, т. е. число последовательно
соединенных элементов. Поэтому электрический угорь —
обитатель болот Южной Америки — имеет электрический
орган, клетки которого в основном соединены последова-
тельно (более 6 000 клеток), в то время как столбиков
у него мало. Совсем другая ситуация у ската Торпедо,-
обитателя Средиземного моря, ведь сопротивление соле-
ной морской воды относительно малог И в электрическом
249
органе ската клетки соединены совсем иначе: последова-
тельно соединены всего 400 клеток, зато число параллель-
но соединенных столбиков велико (более 500). В результа-
те электрический орган ската создает силу тока порядка
50 А, так что падение напряжения даже в соленой воде
оказывается достаточно заметным, порядка 50 В, Таким
образом, общий ход эволюции электрических органов
вполне соответствует ожиданиям физика.
Мы видим, что морским электрическим рыбам важно
сделать внутреннее сопротивление своего генератора как
можно ниже, для этого они и соединяют так много столби-
ков параллельно. Но есть и еще один способ снизить это
сопротивление — снизить сопротивление мембран каж-
дой клетки. Оказывается, эволюция использует и этот
способ. У одной мембраны клеток органа, той, на которой
находится синапс, сопротивление при возбуждении стано-
вится низким, так как в ней открываются многочисленные
ионные каналы, а сопротивление противоположной мемб-
раны тоже относительно невелико за счет ее большой пло-
щади: она вся покрыта складками, выростами и т. д<
(обычный способ клеток создать большую поверхность).
Законы физики и условия среды обитания определяют
пути эволюции электрических органов, и последние раз-
виваются сходным образом, хотя и происходят у разных
рыб из разных тканей. Например, у скатов клетки элект-
рических органов возникли из мышечных клеток, поте-
рявших возбудимость, фактически, от этих клеток оста-
лась только синаптическая область; постепенная атрофия
остальной части мышечной клетки хорошо прослежена
при изучении развития рыбы из икринки. Медиатор, дей-
ствующий на электрический орган,— тот же ацетилхо-
лин, который возбуждает и мышечные клетки позвоноч-
ных, поэтому разряд органа можно вызвать не только
раздражением подходящего к нему нерва, но и введением
ацетилхолина в идущую к нему артерию. У электрическо-
го угря орган тоже имеет мышечное происхождение, од-
нако у некоторых электрических рыб электрические ор-
ганы возникли не из мышечных, а из нервных клеток,
а у африканского электрического сома — из клеток кож-
ных желез. Это не должно удивлять читателя, который
уже знает, что не только нервы и мышцы способны к элект-
рическим реакциям.
Такие рыбы, как электрический скат или электриче-
ский угорь, затрачивают при разрядах электрического ор-
гана заметную энергию (мощность их колеблется от 1
250
до 6 кВт, а время одного импульса 2-—3 мс). В связи
с этим они используют свои электрические органы срав-
нительно редко. У электрического угря есть еще допол-
нительные электрические органы, гораздо меньшей мощно-
сти, которые используются для ориентации и обнаружения
добычи. У слабоэлектрических рыб, которые исполь-
зуют свои электрические органы только для ориентации,,
часто наблюдается совсем другой режим работы — не-
прерывные разряды. Например, у рыбы гимнарха (на ко-
торой Лиссман открыл электрорецепторы) электрические
органы постоянно работали с частотой 300 Гц.
Важная проблема, которая стоит перед всеми электри-
ческими рыбами,— проблема синхронизации, т. е. проб-
лема вызова одновременного возбуждения всех клеток,,
образующих электрический орган. Она решается прежде
всего с помощью ЭС. Нейроны разных уровней, управ-
ляющие электрическим органом, связаны между собой
ЭС и поэтому разряжаются практически одновременно.
У электрических рыб обнаружены рефлекторные цепи„
которые ведут к возбуждению электрического органа;
в этих цепях осуществляется последовательная передача
сигналов между тремя типами нейронов, причем сигналы
передаются только через ЭС. Однако одновременного воз-
буждения нейронов, действующих на клетки электриче-
ского органа, еще не достаточно для одновременного воз-
буждения самих этих клеток, так как сотни и тысячи кле-
ток «столбиков» расположены на разных расстояниях от
нейронов. Аксоны этих нейронов имеют разную скорость
проведения: к более удаленным клеткам сигнал идет
с большей скоростью.
Как поймать рыбу в мутной воде?
А также про электроразговоры
Для существа, обладающего чувствитель-
ными электрорецепторами, обнаружить рыбу в мутной
воде несложно; для этого достаточно зарегистрировать
электрические поля, возникающие при работе ее сердца
или дыхательных мышц. Так обнаруживают добычу аку-
лы или скаты. Но рыбы, обладающие электрическими ор-
ганами, оказались способными решить и более хитрую за-
дачу: обнаружить в непрозрачной воде предметы^ которые
сами по себе не создают электрических полей, Как же
электрические рыбы решают эту задачу?
Сначала думали^ что эти рыбы обладают электроло-
251
кагорами, такими же, как радиолокаторы для обнаруже-
ния самолетов. Предполагалось, что эти рыбы генерируют
своими электрическими органами сигнал и принимают от-
раженную от посторонних предметов волну с помощью
электрорецепторов. Однако простейшая прикидка пока-
зывает, что такой принцип работы невозможен для живых
организмов. Рыба обнаруживает посторонние предметы
на расстоянии в десятки сантиметров, а электромагнитные
волны проходят такие расстояния за слишком короткие
времена. Миллиардные доли секунды живые существа
измерять не могут. Как же рыбы с помощью электриче-
ских органов обнаруживают в воде посторонние предметы?
Лиссман изучал эту способность рыб так. У рыбы вы-
рабатывался условный рефлекс. В аквариум, в котором
она содержалась, помещали два цилиндрика одинаковых
размеров, обладающих таким же удельным сопротивле-
нием, как вода аквариума, и пустых внутри. В цилиндри-
ки помещались вещества с разным удельным сопротив-
лением (металл, электролит, парафин и т. д.). Рыбу обу-
чали выбирать цилиндрик с более низким удельным соп-
ротивлением. При правильном выборе она получала пи-
щу, а при неправильном — удар палочкой. Через неко-
торое время рыба уверенно выбирала нужный цилиндрик,
несмотря на то, что два цилиндрика все время меняли
местами случайным образом. Если же в цилиндриках на-
ходились вещества, отличающиеся химическим составом,,
плотностью и др., но с одинаковым удельным сопротивле-
нием, обучение было безуспешным. Итак, рыбы при обна-
ружении посторонних предметов могут использовать от-
личие их удельного сопротивления от сопротивления воды.
Мы уже говорили, что гимнарх все время генерирует
электрические импульсы, так что вокруг его тела в воде
текут токи. Если изобразить плотность тока с помощью
густоты линий, то картина токов вокруг рыбы выглядит
примерно так, как изображено на рис. 64. Если в воду
внесено проводящее тело, то картина меняется, как на
рис. 64, справа, если изолятор—как на рис. 64, слева.
Искажение электрического поля меняет сигналы электро-
рецепторов рыбы.
Нервная система электрической рыбы содержит слож^
ную систему обнаружения. Ее мозг сравнивает сигналы
от многих рецепторов. Это позволяет определить размеры,
форму, скорость движения лоцируемого предмета. Можно
сказать, что электрические рыбы обладают настоящим
«электрическим зрением».
252
В гл. 4 мы рассказывали, как работает «живой теле-
граф» при передаче электрических сигналов внутри орга-
низма. Электрические рыбы используют электрические сиг-
налы и для общения между собой. Например, они опове-
щают других особей своего вида о том, что данная терри-
тория занята (подобно тому как птицы делают это
Рис. 64. Электролокация у рыб. Слева — изменение поля, когда
к рыбе подносят диэлектрик, справа — изменение поля, когда
к рыбе подносят проводник
песней), или о том, что ими обнаружена пища (у птиц
для этого тоже есть соответствующие звуковые сигналы);
есть электрические сигналы: «вызываю на бой», «сдаюсь»
и др. По-видимому, электрические сигналы облегчают ры-
бам поиск особей другого пола. Все эти сигналы эф-
фективно принимаются рыбами на расстоянии порядка
10 метров.
Что такое ЭКГ, ЭМГ, ЭЭГ?
ЭКГ — это электрокардиограмма, запись
электрических сигналов сердца. То, что в сердце при воз-
буждении возникает разность потенциалов, было показа-
но еще в 1856 г., в эпоху Дюбуа-Реймона. Опыт, доказы-
вающий это, был поставлен Келликером и Мюллером
точно по рецепту Гальвани: на изолированное сердце
клался нерв, идущий к лапке лягушки, и этот «живой
вольтметр» отвечал вздрагиванием лапки на каждое со-
кращение сердца.
С появлением чувствительных электроизмерительных
приборов стало возможным улавливать электрические
сигналы работающего сердца, прикладывая электроды
не прямо к сердечной мышце 2 а к коже. Сто лет назадt
253
в 1887 г., впервые удалось зарегистрировать таким спосо-
бом ЭКГ человека. Это было сделано английским ученым
А. Уоллером с помощью капиллярного электрометра,
(Основу этого прибора составлял тонкий капилляр, в ко-
тором ртуть граничила с серной кислотой; при пропуска-
нии тока через такой капилляр поверхностное натяжение
на границе жидкостей менялось и мениск смещался по
капилляру.) Этот прибор был неудобен в использовании
и широкое применение электрокардиографии началось
позже, после появления, в 1903 г. более совершенного при-
бора — струнного гальванометра Эйнтховена. (Работа
этого прибора основана на движении проводника с током
в магнитном поле. Роль проводника играла посеребрен-
ная кварцевая нить диаметром в несколько микрометров,
туго натянутая в магнитном поле. При пропускании по
этой струне тока она слегка изгибалась. Эти отклонения
наблюдались с помощью микроскопа. Прибор обладал ма-
лой инерцией и позволял регистрировать быстрые элект-
рические процессы.) После появления этого прибора в ря-
де лабораторий начали детально изучать, чем отличается
ЭКГ здорового сердца и сердца при разных заболеваниях.
За эти работы В. Эйнтховен получил в 1924 г. Нобе-
левскую премию, а советский ученый А. Ф. Самой-
лов, много сделавший для развития электрокардиогра-
фии, получил в 1930 г. Ленинскую премию. В результате
следующего шага в развитии техники (появления элект-
ронных усилителей и самописцев) электрокардиографы
стали использоваться в каждой крупной больнице.
Какова природа ЭКГ? При возбуждении любого нерв-
ного или мышечного волокна ток в одних его участках
втекает через мембрану внутрь волокна, а в других —
вытекает наружу. При этом ток обязательно течет по на-
ружной среде, окружающей волокно, и создает в этой сре-
де разность потенциалов. Это позволяет регистрировать
возбуждение волокна с помощью внеклеточных электро-
дов, не проникая внутрь клетки. Сердце — это достаточно
мощная мышца. В ней синхронно возбуждается много
волокон, и в среде, окружающей сердце, течет достаточ-
но сильный ток, который даже на поверхности тела созда-
ет разности потенциалов порядка 1 мВ. Обычная форма
ЭКГ приведена на рис. 65; зубец Р соответствует возбуж-
дению предсердий, а самый большой зубец R — синхрон-
ному возбуждению желудочков.
Для того чтобы больше узнать по ЭКГ о состоянии
сердца^ врачи записывают много кривых между разными
254
Рис. 65. Электрокардиограмма (ЭКГ)
можно рассчитать- как пви-
точками тела* Для понимания этих кривых нужен
большой опыт. С появлением вычислительной техники
стало возможным в значительной мере автоматизиро-
вать процесс «чтения» ЭКГ* Вычислительная машина
сравнивает ЭКГ данного больного с образцами, хра-
нящимися в ее памяти, и выдает врачу предполагаемый
диагноз (или несколько возможных диагнозов). Сейчас
возникло много и дру-
гих новых подходов к
анализу ЭКГ. Очень
интересным представ-
ляется такой. По по-
тенциалам, зарегистри-
рованным с многих
точек тела, и их из-
менению во времени
жется волна возбуждения по сердцу и какие участки
сердца стали невозбудимы (например, поражены ин-
фарктом). Расчеты эти весьма трудоемки^ но они стали
возможны с появлением ЭВМ. Такой подход к анализу
ЭКГ был развит сотрудником Института проблем пере-
дачи информации АН СССР Л. И. Титомиром* Вместо
многих кривых, в которых трудно разобраться, вычисли-
тельная машина рисует на экране сердце и распростране-
ние возбуждения по его отделам. Можно прямо видеть,}
в какой области сердца возбуждение идет медленнее,
какие участки сердца вообще не возбуждаются и т. д.
Потенциалы сердца были использованы в медицине
не только для диагностики, но и для управления меди-
цинской аппаратурой. Представьте себе, что врачу
необходимо сделать рентгеновские снимки сердца в раз-
ные фазы его, цикла, т* е* в момент максимального со-
кращения, максимального расслабления и т. д.; это бы-
вает,необходимо при некоторых заболеваниях. Но к; к
поймать момент наибольшего сокращения? Приходится
делать много снимков в надежде, что один из них попа-
дет в нужную фазу. И вот советские ученые В* С. Гур-
финкель, В. Б. Малкин и М. Л. Цетлин решили вклю-
чать рентгеновскую аппаратуру от зубца ЭКГ. Для этого
потребовалось не очень сложное электронное устройство*
которое включало съемку с заданной задержкой отно-
сительно зубца ЭКГ* Остроумное само по себе реше-
ние задачи особенно интресно тем^ что это было одно
из первых (ныне многочисленных) устройств, в которых
естественные потенциалы организма управляют теми
255
или иными искусственными устройствами; эта область
техники получила название биоуправления.
Скелетные мышцы тела тоже генерируют потенци-
алы, которые можно регистрировать с поверхности
кожи. Однако для этого требуется более совершенная
аппаратура, чем для регистрации ЭКГ. Отдельные мы-
шечные волокна обычно работают асинхронно, их сиг-
налы, накладываясь друг на друга, частично компен-
сируются, и в результате получаются меньшие потен-
циалы, чем в случае ЭКГ, Электрическая активность
скелетной мышцы называется электромиограммой —
ЭМГ. Впервые ПД мышечных волокон человека обнару-
жил, прослушивая их с помощью телефонного аппа-
рата, русский ученый Н. Е. Введенский еще в 1882 г.
В 1907 г. немецкий ученый Г. Пипер использовал для их
объективной регистрации струнный гальванометр. Од-
нако это был сложный и трудоемкий метод. Только после
того как в 1923 г. появился катодный осциллограф
и электронная техника, электромиография стала уси-
ленно развиваться. Сейчас ее широко применяют в нау-
ке, в медицине, в спорте, а также для биоуправления»
Одно из первых замечательных применений биоуправ-
ления с помощью ЭМГ — создание протезов для людей,
потерявших руку* Такие протезы впервые были созданы
в нашей стране.
А что такое ЭЭГ? Это электроэнцефалограмма,,
т. е. электрическая активность мозга, колебания по-
тенциала, создаваемые работой нейронов мозга и реги-
стрируемые прямо с поверхности головы. Нервные
клетки, как и мышечные волокна, работают неодно-
временно: когда одни из них создают на поверхности
кожи положительный потенциал, другие создают отри-
цательный. Взаимная компенсация потенциалов тут еще
сильнее, чем в случае ЭМГ. В результате амплитуда
ЭЭГ примерно в сто раз меньше, чем ЭКГ, поэтому их
регистрация требует более чувствительной аппаратуры.
Впервые ЭЭГ была зарегистрирована русским ученым
В. В. Правдич-Немским на собаках с помощью струн-
ного гальванометра; он вводил собакам кураре, чтобы
более сильные мышечные токи не мешали регистраций
токов мозга. В 1924 г. немецкий психиатр Г. Бергер
начал в Йенском университете изучение ЭЭГ человека.
Он описал периодические колебания потенциалов моз-
га, имеющие частоту около 10 Гц, которые называют
альфа-ритмом. Он же впервые зарегистрировал ЭЭГ
256
человека при припадке эпилепсии и пришел к выводуf
что Гальвани был прав, предполагая, что при эпилепсии
в нервной системе возникает участок, где токи особенно
сильны (клетки там непрерывно возбуждаются с боль-
шой частотой). Поскольку речь шла об очень слабых
потенциалах, зарегистрированных малоизвестным вра
чом, результаты Бергера долго не привлекали внимания
он сам опубликовал их
только через о лет после
сделанного открытия. II
только после того как в
1930 г. их подтвердили
знаменитые английские
ученые Эдриан и Мэтьюс,
на них была «...поставле-
на печать академического
одобрения», по выраже-
нию Г. Уолтера, англий-
ского ученого, который
занимался клиническими
Рис. 66. «Карта тела» в сома-
тосенсорной области коры боль-
ших полушарий, полученная
методом вызванных потенци-
алов
аспектами ЭЭГ в лабора-
тории Голла. В этой ла-
боратории были разра-
ботаны методы, которые
позволяли по ЭЭГ опре-
делять местоположение опухоли или кровоизлия-
ния в мозгу, подобно тому, как ранее научились по
ЭКГ определять место инфаркта в сердце. В дальней-
шем кроме альфа-ритма были открыты и другие ритмы
мозга, в частности ритмы, связанные с разными типами
сна. Существует масса проектов биоуправления с по-
мощью ЭЭГ. Например, если у водителя все время
регистрировать ЭЭГ, то можно с помощью ЭВМ опреде-
лить момент, кода он начинает дремать, и будить его.
К сожалению, все такие проекты пока трудно реализо-
вать, так как амплитуда ЭЭГ очень мала.
Кроме ЭЭГ — колебаний потенциала мозга в отсут-
ствие специальных воздействий, существует еще и дру-
гая форма потенциалов мозга — вызванные потенци-
алы (ВП). ВП — это электрические реакции, возникаю-
щие в ответ на вспышку света, звук и т. д. Так как на
яркую вспышку света отвечают почти одновременно сразу
много нейронов мозга, то ВП обычно имеют гораздо
большую величину, чем ЭЭГ. Не случайно они были
обнаружены гораздо раньше, чем ЭЭГ (в 1875 г, англи-
9 М. Б. Беркинблит, Е. Г. Глаголева
257
чанином Кетоном и независимо от него в 1876 г. рус-
ским исследователем В. Я. Данилевским). С помощью
ВП можно решать интересные научные задачи. Напри-
мер, после вспышки света ответ (ВП) раньше всего
возникает в затылочной области мозга. Отсюда можно
сделать вывод, что именно в эту область поступают
сигналы о свете. При электрическом раздражении кожи
ВП возникают в темной области мозга. При раздражении
кожи руки они возникают в одном месте,; кожи ноги —
в другом. Можно составить карту таких ответов и эта
карта показывает, что поверхность кожи дает проек-
цию на теменную область коры мозга человека (рис. 66),
Интересно,, что при этом проектировании нарушаются
некоторые пропорции, например проекция кисти руки
оказывается непропорционально большой. Да это и
естественно: о руке мозгу нужна гораздо более подробная
информация, чем, например^ о спине.
Электрическое хозяйство инфузории
Да, немного страшновато...быть Очень Маленьким Существом,
совершенно окруженным водой!
А. А. Милн
«Винни-Пух и все, все, все»
В этой книге мы рассказывали вам об
электрических явлениях в клетках самых разных живот-
ных — лягушки и человека, усоногого рака и кальмара,
Но все это были многоклеточные животные. А сейчас
обратимся к простейшим. Простейшие замечательны
темг что это одноклеточные животные, т. е.,; с одной
стороны, это всего одна клетка, а с другой — организм
с достаточно сложным поведением. Этим обусловлены
замечательные особенности простейших. У многоклеточ-
ных существует разделение труда между разными типа-
ми клеток, у простейших,.напротив, все функции совме-
щены в пределах одной клетки, могут выполняться
только ею и должны быть согласованы между собой.
Посмотрим же, как живет известная всем со школьных
времен — с 6-го класса — пресноводная инфузория ту-
фелька и какую роль в ее жизни играют электрические
процессы.
Значительная часть тела туфельки покрыта прочным
панцирем из правильно расположенных шестиугольни-
ков, в котором имеются ряд просветов для рта, места
выброса остатков пищи и др. Кроме того2 на поверх-
258
ности тела туфельки находятся около 15 тысяч ресни-
чек — ее органов движения. Наконец, на поверхности
находятся органы защиты — трихоцисты, устройства,
которые при раздражении выбрасывают наружу длин-
ную нить, выделяющую ядовитое вещество, так же как
стрекательные клетки крапивы.
Некоторые реснички, расположенные около рта ин-
фузории, служат не для движения, а для того чтобы
загонять пищу в рот. У туфельки рот все время открыт,
и она непрерывно питается бактериями. У некоторых
других хищных инфузорий рот открывается в момент
захвата пищи. Пища, попавшая в рот, через глотку
проходит в мембранный пузырек, который отрывается
от глотки и совершает сложное путешествие внутри тела
инфузории. Этот пузырек называют пищеварительной
вакуолью. Таких вакуолей в один и тот же момент может
быть много: одни только оторвались от глотки, другие
прошли часть пути, третьи уже подходят к специаль-
ному участку поверхности, где выбрасываются наружу
непереваренные остатки пищи. С нашей, человеческой
точки зрения, это довольно необычная пищеваритель-
ная система: вместо того чтобы пища двигалась по ки-
шечнику, как у всех людей, у инфузории нет никакого
аналога кишечника, а сам «желудок» с пищей отправ-
ляется в путешествие по телу. Примерно каждые две
минуты у туфельки образуется новая пищеварительная
вакуоль (рис. 67).
У инфузории есть специальный орган для регуляции
содержания воды в теле — выделительная вакуоль. Рас-
сказывая про ионные насосы, мы уже говорили, что
у всех пресноводных животных возникает одна и та же
проблема: вода за счет осмоса должна поступать внутрь
клеток таких организмов и ее излишки необходимо
все время удалять. Ту же проблему приходится решать
и инфузории. Хотя часть ее тела и защищена плотным
покровом, видимо, непроницаемым для воды, но через
постоянно открытый рот вода вместе с добычей поступает
в организм туфельки. Для выведения лишней воды и слу-
жит выделительная вакуоль; такие вакуоли имеются
у большинства пресноводных простейших. У туфельки
вакуоль состоит из центрального резервуара, подходя-
щих к нему изнутри тела пяти-семи мембранных
трубочек и выводящего канала, который ведет в наруж-
ную среду. Удаляемая жидкость собирается в приводя-
щие каналы; в некоторый момент все эти каналы разом
9* 259
сокращаются,, растягивая выделительную вакуоль (как
предсердия^ наполняющие кровью желудочки). После
этого вакуоль сокращается и выбрасывает жидкость
наружу. Вакуоль сокращается примерно один раз в 20 се-
кунд. За 45 минут (за время одного урока) вакуолью
выделяется объем воды, равный всему объему туфельки!
Рис. 67. Электрическое
ление ионных каналов
хозяйство инфузории. Показано распреде-
и ионных насосов по разным структурам
инфузории
Таким образом, сократительная вакуоль совершает очень
большую работу; значительную часть своей энергии ту-
фелька тратит на борьбу с осмосом.
А теперь рассмотрим некоторые электрические явле-
ния у инфузории и их связь с ее жизнедеятельностью
и поведением. У туфельки существует ПП; показано^
что, как и у других клеток, этот ПП обеспечивается иона-
ми калия» Однако при регистрации этого потенциала
оказалось, что он очень неустойчив, У инфузории МП
260
раз в 20 секунд делает очень большой выброс, да и в
промежутках сильно колеблется. Оказалось, что эти
колебания связаны с разнообразными проявлениями
жизнедеятельности туфельки. Когда сократительная
вакуоль выбрасывает году и раздувает выводящий канал,,
она сильно сообщается с наружной средой. Сопротивле-
ние мембраны вакуоли ниже, чем других участков тела
инфузории, и потенциал на ней тоже ниже, поэтому
в момент выброса воды эта вакуоль «закорачивает»
остальную мембрану и ПП заметно снижается. То же
самое происходит при разрыве пищеварительной вакуоли,
когда она сливается с наружной мембраной, а у многих
инфузорий — и при открывании рта. Кроме того, у ин-
фузорий имеются разнообразные «органы чувств», кото-
рые тоже все время меняют их МП.
В протоплазме инфузорий гораздо больше калия
и гораздо меньше натрия, чем в окружающей воде. Это
значит, что туфелька имеет где-то в своем хозяйстве
Na — К-насос. Оказалось что концентрация Na+ в жид-
кости, выбрасываемой из выделительной вакуоли, выше,,
чем в цитоплазме. Это показывает, что по крайней мере
часть молекул Na — К-насоса размещена на мембране
выделительной вакуоли. Значит, выделительная ваку-
оль регулирует не только содержание воды в инфузории,,
но и содержание Na+. Таким образом, вакуоль гораздо
больше похожа на почки высших организмов (тоже
органы водно-солевого баланса), чем думали раньше.
Посмотрим теперь, как Na+ попадает внутрь клетки.
Во-первых, он заглатывается вместе с пищей и попадает
в пищеварительные вакуоли. В вакуоли поступают
пищеваритальные ферменты и идет переваривание пищи;
в некоторый момент путешествия вакуоли там
создается кислая среда, как в желудке человека,,
а потом среда в ней становится щелочной и таким
образом «путешествующий желудок» превращается в
«двенадцатиперстную кишку». У человека пища подвер-
гается разным воздействиям в разных точках пищевари-
тельного тракта, а у инфузорий — в разные моменты
времени в одном и том же мембранном пузырьке. Но,;
несмотря на эти различия, результат один: пища в ваку-
оли расщепляется до аминокислот и других мелких
молекул. В мембране вакуолей имеются разнообразные
транспортные молекулы, ведь молекулы углеводов и
аминокислот должны быть переправлены в цитоплазму
до тогоА как пищеварительная вакуоль окончит свое
261
существование и сольется с наружной мембраной. Среди
этих транспортных молекул много «электрических транс-
портеров», которые присоединяют к себе молекулы
пищевых веществ и ион Na+, а затем выбрасывают
их в цитоплазму. Мы рассказывали вам о работе таких
транспортеров в параграфе «Зачем невозбудимым клеткам
потенциал покоя». Разница состоит лишь в том, что
там мы говорили о транспорте веществ из наружной среды
в клетку, а у инфузорий этот транспорт идет из пищева-
рительной вакуоли. Но это различие несущественноt
можно считать, что в таких вакуолях находится кусочек
проглоченной внешней среды. Вот таким образом вместе
с молекулами сахара и аминокислот ионы Na+ и попада-
ют в протоплазму. А дальше к ним вполне можно приме-
нить выражение: «Натрий сделал свое дело, натрий
может уходить». Только уходят они не сами, а выкачи-
ваются натриевым насосом в выделительную вакуоль.
Существует и второй путь поступления Na+ в клетку
инфузории. Мы уже говорили, что у инфузории есть раз-
ные «органы чувств». Расмотрим тут ее чувствительность
к механическим воздействиям. При прикосновении к
переднему концу инфузории в ней возникает деполяриза-
ционный рецепторный потенциал; а если «удар по носу»
достаточно силен, то возникает и ПД. Эти потенциалы
создаются в основном ионами Са++, которых в пресной
воде больше,; чем Na+. Однако при деполяризации или
ПД в протоплазму клетки попадают и ионы Na+.
Проникновение Са++ внутрь клетки влияет на орган
движения инфузории — реснички — точно так же, как
у нас вхождение Са++ в мышечные клетки необходимо
для их сокращения (мы рассказывали об этом, говоря
про Са-насос). Кстати, и разрядка трихоцист у инфу-
зорий связана с потоками Са++ в клетку. Большинство
Са-каналов инфузорий расположено прямо на мембране
ресничек. Если удар по передней части инфузории
вызвал ПД, то откроется много Са-каналов, внутрь
клетки войдет много Са++, а от этого реснички инфузории
меняют направление своего удара. Возникает «реверс»:
инфузория отплывает «хвостом вперед» от раздражителя/
например от препятствия, на которое она натолкнулась,
После того как Са-насос и митохондрии уберут излишки
Са++ из цитоплазмы, нормальная работа ресничек вос-
станавливается.
Изучение плавательного поведения туфельки показа-
ло, что работа ее ресничек зависит от МП, При нормальном
262
ПП ее реснички ударяют примерно 20 раз в секунду,
а при гиперполяризации частота их возрастает до 50 в
секунду. При сильной деполяризации, как мы уже
говорили, возникает «реверс». В действительности дви-
жением ресничек управляет не сам потенциал, а кон-
центрация ионов Са++ и других веществ. Например,:
при гиперполяризации туфельки, как и при депо-
ляризации, в клетку входят ионы Са++Т но они вхо-
дят через особые каналы, расположенные иначе, и это
вызывает не реверс движения, а ускорение ударов
ресничек. Реснички покрывают фактически все тело
инфузории, поэтому их каналами удобно управлять
с помощью МП; ведь туфелька — одна небольшая клет-
ка и изменение потенциала в одной ее части распростра-
няется и на другие. Отсюда ясно, что управлять с помощью
МП разнообразными процессами для туфельки невоз-
можно: процессов, которыми надо управлять, много^
а потенциал один. Туфелька выходит из положения тем,;
что использует ионные каналы, чувствительные не к
сдвигу МП, а другим сигналам, например, каналы три-
хоцист чувствительны к механическим или химическим
воздействиям.
Было выяснено, что в «хвосте» туфельки («хвост»
у нее там, где у настоящей туфли острый конец) имеется
чувствительный участок, при механическом раздраже-
нии которого открываются К-каналы и возникает гипер-
поляризация клетки, что увеличивает частоту работы рес-
ничек. В результате этого нормальная туфелька начина-
ет плыть быстрее («убегать»), если ее хватают за хвосте
Мы сказали слова «нормальная туфелька» не случай-
но. Дело в том, что существуют инфузории-мутанты.
При их изучении было показано, что мутация в одном
гене может сделать дефектным белок, образующий тот
или иной канал. Существует мутация, которая портит
Са-канал, чувствительный к удару по передней части
тела инфузории. Такая инфузория, наткнувшись на
препятствие, все время «бьется головой о стену», так
как ионы Са++ в нее при механическом раздражении не
входят и не обеспечивают реверс. Другая мутация пор-
тит Са-канал иначе, замедляя его инактивацию. Такие
мутанты становятся очень «пугливы»: столкнувшись
с препятствием, они отскакивают от него и долго-долго
плывут хвостом вперед, так как через их Са-каналы
входит много Са++ и нормальная работа ресничек долго
не восстанавливается.
263
Интересно, что передний и задний концы туфельки
по-разному реагируют не только на механические,1
но и на температурные воздействия. В 1987 г. японские
исследователи показали, что на переднем конце туфельки
имеется участок, чувствительный к холоду, а на заднем —
к теплу; у позвоночных животных для той же цели слу-
жат специальные клетки — тепловые и холодовые ре-
цепторы. При действии на туфельку холода на ее перед-
нем конце открываются Са-каналы, а прп действии тепла
на заднем закрываются К-каналы. Результат один и тот
же: МП снижается. Однако поведенческий эффект тем-
пературного воздействия состоит в основном не в изме-
нении скорости плавания, а в том, что туфелька начина-
ет заметно чаще, чем при привычной для нее температуре,}
менять направление своего движения(начинает«метаться»),
Ёсли при таких метаниях она выскочит вновь в область
привычных температур, то поплывет по прямой, удаляясь
от горячего или холодного места. Как управляется час-
тота поворотов, пока неизвестно. Замечательная осо-
бенность ионных каналов, чувствительных к темпера-
туре, состоит в том, что они обладают памятью. Если
инфузория жила при 20 °C, то 15 °C для нее холодно^
и реагируют холодовые рецепторы; но если инфузория
достаточно долго жила при 10 °C, то 15 °C для нее тепло^
й реагируют тепловые рецепторы. Как перестраивается
работа чувствительных к температуре каналов во время
привыкания, пока не выяснено.
В гл. 7 мы говорили о «мозаике каналов», которая
обеспечивала разным клеткам нужные им свойства»
У инфузорий такая мозаика особенно богата, так как
она должна обеспечить этой клетке разнообразное пове-
дение. Так что инфузория — интереснейший пример
«мозаики каналов». С другой стороныг изучение инфузо-
рий дает нам еще один урок. Совместная работа ионных
каналов туфельки весьма затрудняет их изучение.
Мы так много поняли о туфельке потому,, что до этого
были изучены клетки других разнообразных животных.,
Очень полезно сравнивать разные объекты» Оказалось,}
что каналы и органеллы туфельки работают в общем
на тех же принципах,, что и каналы и органы других
организмов, Очень интересно было бы выяснить, какие
черты этого сходства объясняются наследством, получен-
ным от общего предка,: а какие являются результатом
естественного отбора, который привел по разным путям
к сходным результатам^
264,
Об электростанциях клеток и немного
о бактериях — первых электриках Земли
Без этого небольшого параграфа наша кни-
га была бы неполна, ведь в ней отсутствовало бы важ-
нейшее для всего живого использование электричества
— использование его для обеспечения каждой клетки
энергией.
Откуда организмы получают энергию? Животные —
из пищи, которую они съедают. Биохимиками было
выяснено, что пища у животных, дышащих кислородом
воздуха, медленно окисляется (собственно, для этого
и нужен кислород), а за счет этой энергии в организме
синтезируется особое вещество — АТФ. Это вещество
играет роль универсальной валюты и расходуется живот-
ными для синтеза новых веществ, для работы мышц
или ионных насосов и т. д. Было выяснено также, что
процесс сгорания пищи и синтеза АТФ осуществляется
особыми клеточными органеллами — митохондриями,,
описанными еще в 1850 г. Келликером в мышцах насе-
комых. Митохондрии имеются не только у животных,
но и у растений и грибов, нет их только у бактерий.
Если сделать еще один щаг в своем любопытстве и
задать вопрос: «А откуда же берется пища?», то на него
ответ тоже известен. В конечном счете пища произво-
дится фотосинтезирующими организмами, получающими
свою энергию от Солнца. В растениях имеются, кроме
митохондрий, особые органеллы — хлоропласты, со-
держащие хлорофилл. Эти органеллы умеют, как и мито-
хондрии, синтезировать АТФ, а кроме того, умеют син-
тезировать из воды и углекислого газа углеводы.
Все реакции окисления пищи, синтеза АТФ, синтеза
углеводов достаточно сложны, происходят при участии
многочисленных ферментов и более полувека широко
изучаются в разнообразных биохимических лаборато-
риях. Какое же отношение они имеют к теме этой книги?
Еще лет 30 назад на этот вопрос был бы дан уверенный
ответ — никакого! Но в 1961 г. английский ученый
П. Митчел выдвинул гипотезу, что энергия пищи сначала
преобразуется в электрическую энергию, а уж та затра-
чивается на производство АТФ. Эта гипотеза была в
конце концов доказана, и мы считаем необходимым
кратко рассказать об энергетическом обеспечении орга-
низмов. А кратким наш рассказ будет прежде всего
потому, что на эту тему недавно была написана обстоятель-
265
пая, понятная и яркая книга «Рассказы о биоэнергетике»,
автор которой В. II. Скулачев — один из создателей
биоэнергетики.
В чем же более конкретно состояла гипотеза П. Мит-
чела? Митчел предположил, что окисление пищи приво-
дит к возникновению разности потенциалов на мембране
митохондрий за счет выхода протонов из митохондрий,
затем эта электрическая энергия тратится на синтез
АТФ. Митчел назвал свою гипотезу хемиосмотической,
подчеркивая, что химическая энергия пищи преобразу-
ется в создание градиента Н+, т. е. тратится на создание
осмотической работы.
В гипотезе Митчела была одна особенность, которая
выделяла ее из области классической биохимии и указы-
вала пути к ее проверке. Для классического чисто
биохимического подхода, объясняющего синтез АТФ
цепью реакций, наличие мембраны не играло никакой
роли. Но для гипотезы Митчела наличие мембраны мито-
хондрий с достаточно высоким сопротивлением, чтобы
Н+ не мог сразу вернуться на место, является совершен-
но принципиальным *).
В 60-х годах Митчел, получив наследство, организо-
вал небольшую лабораторию в своем доме в Корнуолле,
расположенном вблизе тех болот, по которым бегала
баскервильская собака. Там с двумя сотрудниками и
очень простым оборудованием он и вел разработку
своей гипотезы. В 1978 г. Митчел получил Нобелевскую
премию, показав тем самым, что распространенное ныне
мнение, что в наш век только большой коллектив с со-
временным оборудованием может добиться серьезных
научных результатов, не всегда справедливо.
Итак, согласно гипотезе Митчела энергия пищи
тратится на работу специального протонного насоса,
заряжающего мембрану митохондрий. Как же можно
было проверить эту гипотезу? Во-первых, можно было
попробовать измерить МП митохондрий; если бы его
не оказалось, то это опровергло бы гипотезу. Во-вто-
рых, можно было сделать дырку в мембране митохон-
дрий, устроить короткое замыкание; в этом случае
♦) Учет роли мембран был для Мигчела не случайным. Когда
он в 1943 г. окончил Кэмбриджский университет, он начал рабо-
тать у Д. Даниэлян, специалиста по мембранам, который еще в
1935 г. предложил так называемую «бутербродную модель» мем-
браны, согласно которой роль «хлеба» играет бимолекулярный
слой липидов, а роль «масла», намазанного с двух сторон,— белкщ
266
гипотеза Митчела предсказывала прекращение синтеза
АТФ. Пища могла окисляться, но МП не возникал бы,,
а значит и АТФ не должен синтезироваться. К сожале-
нию, митохондрии очень малы, всего 1 мкм в длину,)
так что в них не воткнешь микроэлектрод или шприц.
Тут требовались более тонкие инструменты.
В качестве таких инструментов были использованы
молекулы.
Еще до гипотезы Митчела были открыты вещества
которые назвали «разобщители». Эти вещества имели
совершенно разную химическую природу, но все,}
действуя на митохондрии, прекращали синтез АТФ,;
хотя окисление пищи продолжалось. Было непонятно,
в чем механизм действия этих веществ и, вообще, как
столь разные вещества могут действовать на ферменты,)
обычно весьма избирательные в своих реакциях. Митчел
же заметил, что разобщители (потому что разобщают
сгорание пищи и синтез АТФ) — это вещества, раство-
римые в жирах и способные связывать Н+. С точки зре-
ния его гипотезы их действие объяснялось очень просто:
они захватывают Н+ с наружной стороны мембраны и
переносят его через мембрану, разряжая ее. Иными
словами, результат их действия тот же, что и при корот-
ком замыкании.
Интересно, что такое «короткое замыкание» может
играть важную функциональную роль, как было показа-
но работами В. П. Скулачева и других ученых. Конечно^
при коротком замыкании электроэнергию нельзя исполь-
зовать для производства работы, но при этом выделяется
много тепла (короткое замыкание — частая причина
пожаров). А теплокровным животным приходится ре-
шать и такую задачу — согреться. Так вот, оказалось,)
что организм способен после адаптации к холоду самосто-
ятельно «закорачивать» митохондрии своих клеток, сжи-
гая пищу для выработки тепла.
Что же касается МП митохондрий, то Митчел попы-
тался измерить его по проникновению К+ в митохондрии
под действием электрического поля. Однако этот метод
был доступен критике, так как ионы калия могут
проникать в митохондрии и за счет работы калий-натрие-
вого насоса. В. П. Скулачев, Е. А. Либерман и их
сотрудники использовали для той же цели молекулы
разных, искусственно синтезированных веществ, которые
они назвали «проникающие ионы». Это были действитель-
но положительно или отрицательно заряженные молеку-
267
лы, притом такие, которые были растворимы не в воде,
а жирах. Было показано, что в присутствии кислородаf
когда пища могла сжигаться и должен был существовать
потенциал в митохондриях, положительно заряженные
ионы начали проникать внутрь митохондрий. Этому
коллективу удалось вывернуть митохондрии наизнанку.
Теперь Н+ должен был оказаться внутри таких митохон-
дрий. И, действительно, теперь внутрь начали проникать
отрицательные ионы. Проникающие ионы были весьма
разнообразны по химическому строению, так что теперь
уже нельзя было сказать, что их переносят внутрь специ-
альные насосы. Возникновение МП у митохондрий при
сжигании пищи было доказано.
А вот один из красивых опытов, которых! доказывает
вторую половину гипотезы Митчела — что МП может
быть использован для синтеза АТФ. Этот опыт был
поставлен в 1967 г. Прессманом. Митохондрии выдер-
живали в среде с высокой концентрацией К+, так что
он накапливался внутри них. Затем их переносили
в среду без питательных веществ и кислорода (где они не
вырабатывают АТФ) и в среду вводили валиномицин —
антибиотик, который повышает проницаемость мембраны
для К+. Калий начинал выходить из митохондрий,
и на их мембране возникал калиевый потенциал покоя.
И митохондрии начинали синтезировать АТФ.
Точно так же было показано, что МП возникает под
действием света в хлоропластах. В этом случае удалось
найти такой объект, что в хлоропласт можно было ввести
микроэлектрод и прямо измерить этот потенциал. Такая
работа была сделана сотрудниками кафедры биофизики
МГУ А. А, Булычевым, В. К. Андриановым, Г. А. Курел-
лой и Ф, Ф. Литвиным.
Раньше мы уже говорили, что в самых разных клетках
есть ионные насосы, которые работают, используя
энергию АТФ. Теперь оказывается, что для выработки
АТФ требуется работа протонного насоса, который
использует энергию пищи или света. Так что в каждой
клетке работает «каскад насосов».
В митохондриях и в «дышащих» бактериях за счет
окисления пищи наружу выкачиваются протоны, а внут-
ри митохондрий синтезируется АТФ, поэтому часть выра-
ботанной электроэнергии затрачивается на транспортные
расходы: приходится доставлять АТФ из митохондрии
в протоплазму клетки, а исходные продукты, нужные
для ее синтеза, доставлять внутрь митохондрий. Те же
268
процессы идут и у фотосинтезирующих бактерий и циа-
нобактерий, только там источником энергии является свет*
А вот хлоропласты растений устроены иначе. Внутри
них имеются особые мембранные пузырьки — тилакоиды,j
мембрана которых «вывернута наружу», как это искус-
ственно делали с мембраной митохондрий Скулачев
Митохондрия
Фотосинтезирующая бактерия
Тилакоиды б хлоропластах
Рис. 68. Сходство и различия в организации митохондрий, «дыша*
ших» бактерий, фотосинтезирующих бактерий и тилакоида хлоро-
пласта
и Либерман. В тилакоидах протоны заканчиваются
внутрь их, а АТФ синтезируется на их наружной поверх-
ности. Мембрана митохондрий содержит много складок;
можно думать, что из таких замкнувшихся «впячиваний»
и возникли тилакоиды. Ведь клетки часто делают из
своей мембраны пузырьки, с помощью которых погло-
щают из внешней среды нужные молекулы (рис. 68)®
Вспомним теперь на минуту историю открытия мем-
браны. Она долго оставалась гипотетической структурой^
которую предсказывали на основе изучения осмоса*
Теперь, наконец-то, ученые, можно сказать, держат ее
в руках. И вот оказывается, что есть мембрана на поверх-
ности клеток, а внутри есть мембрана хлоропласта ?
а внутри него — мембрана тилакоидов. А кроме того,3
в клетках масса других мембранных структур. Вы, навер-
но, помните девиз «Наутилуса»: «Подвижный в подвиж-
ном», Девиз всех клеток: «Мембраны в мембране»*
269
Работу митохондрии действительно можно изобразить
как работу электростанции (рис. 69). Дыхательная сис-
тема ферментов гонит ток протонов наружу, создавая
потенциал на мембране,— это работает генератор; по-
том они текут по другим участкам мембраны митохондрии
внутрь и энергия тратится на синтез АТФ — это потреби-
тель. Значит, в митохондрии находятся и сама электро-
станция, и потребители электроэнергии. Если сделать
Рис. 69. а — Работа митохондрии
согласно гипотезе Митчела, б —
Действие разобщителей («короткое
замыкание»), в — Прекращение по-
дачи веществ, необходимых для
синтеза АТФ («отключение потребите-
ля»). Слева — схема работы мембра-
ны, справа — эквивалентная элек-
трическая схема
короткое замыкание, то
у потребителей «гаснет
свет» прекращается син-
тез АТФ. А если пере-
стать давать вещества,
необходимые для синте-
за АТФ, т. е. выклю-
чить потребитель, ра-
зомнуть цепь, то стан-
ция перестает потреб-
лять энергию — прек-
ращается дыхание.
Нагрузку-потреби-
тель на рис. 69 лучше
всего представлять се-
бе в виде «электродви-
гателя». Дело в том, что
этот потребитель, как
электродвигатели, обра-
тим. Если внутри ми-
тохондрий имеется за-
пас АТФ, а потенциал
на ее мембране снижен,
то АТФ начинает распа-
даться и гнать протоны
наружу, подобно тому
как электродвигатель,'
еслиегокрутить механи-
ческим двигателем, начи-
нает отдавать энергию назад в сеть. В митохондриях при их
реальной работе эта обратимость не используется. Иначе
обстоит дело у бактерий. В 1977 г. было показано, что у
стрептококков, когда они получают энергию за счет гли-
колиза и синтезируют АТФ (при этом не работает система
дыхания и не появляется потенциал на их мембране),
используется «обратимость двигателя». Часть синтезиро-
ванной АТФ бактерии тратят на создание потенциала на
270
мембране, который необходим им для транспорта метабо-
литов внутрь клетки.
Гипотеза Митчела превратилась в одну из основ био-
энергетики. Но не следует думать, что она решила все
вопросы. Дальше надо было выяснить, как именно рабо-
тают ферменты, создающие МП митохондрий, и ферменты,}
синтезирующие АТФ. Кое-что о работе этих молекуляр-
ных машин выяснено, и тот, кто заинтересовался этим воп-
росом, с большой пользой прочитает книгу В. П. Ску-
лачева.
Мы же хотим еще раз подчеркнуть, что «животное
электричество» оказалось присущим не только нервам и
мышцам. Каждая клетка, которая дышит, каждая клетка,3
которая способна к фотосинтезу, использует электриче-
скую энергию. Митохондрии и хлоропласты являются
самыми настоящими электростанциями клетки, которые
преобразуют горючее или свет в электроэнергию
Бактерии — первые электрики Земли.
Они изобрели электромотор с подшипником,
передачу электроэнергии по проводам
и электрические аккумуляторы
Животные клетки содержат митохондрии.
Клетки бактерий — сами себе электростанции. Они тоже
способны синтезировать АТФ за счет пищи или света, за
счет создания МП на своей мембране, выбрасывая Н*
в наружную среду. Но оказалось, что бактерии исполь-
зуют этот МП не только для синтеза АТФ.
В 1974 г. американский микробиолог Адлер изучал му-
тантную линию бактерий кишечной палочки. Эти мутанты
«дышали», но не синтезировали АТФ. Под действием кис-
лорода эти бактерии начинали плыть. Этот результат пред-
ставлялся совершенно удивительным, так как общепри-
нятыми были представления, что для движения, будь
то сокращение мышц или движение жгутика, требуется
энергия АТФ. Опыты Адлера показали, что энергия окис-
ления пищи может быть преобразована в движение без
участия АТФ. Кроме того, Адлер показал, что движение
бактерий может быть остановлено, если в среду добавить
разобщители. Эти результаты были объяснены В. П. Ску-
лачевым, который предположил, что бактерии использу-
ют свой МП прямо для движения жгутика.
Здесь следует сказать, что жгутик бактерий — это
совсем особое устройство^ отличающееся от жгутика ин-
271
фузории. У бактерии есть две мембраны: одна—наружная
прочная оболочка, а вторая — такая же, как у животных
клеток. Жгутик состоит из особого белка — флагеллина..
Он прикрепляется к особой оси, которая торчит, про-
ткнув наружную жесткую мембрану (рис. 70^ а). На этой
Сбег бызыбает
Зыход Н+наружу $
Рис. 70. Работа бактериального «электромотора» и передача энергии
на расстояние у цианобактерий: а — схематическое изображение
«электромотора», вращающего жгутик бактерии; б — передача
электроэнергии вдоль колонки клеток цианобактерии. При осве-
щении «головы» колонки возникает мембранный потенциал за счет
работы мембранной помпы; через межклеточные контакты ток
перетекает в другие клетки и вызывает в них работу «электромото-
ров», ток, текущий при этом в наружной среде, удается зарегистри-
ровать
оси находятся несколько дисков, играющих роль под-
шипников. Самый внутренний диск погружен во внутрен-
нюю мембрану бактерии. Жгутик инфузории работает,
как веслом ударяя по воде. Жгутик бактерии вращается,
как корабельный винт. Это было показано так. Было от-
ломано много жгутиков бактерий; флагеллин ввели кро-
ликамх у которых возникла иммунная реакция. У них
в крови появились антитела, способные склеивать фла-
геллин. Антитела прикрепили к стеклу специального
сосуда. Бактерии, помещенные в этот сосуд, приклеива-
лись жгутиком к стеклу. В этом и состояла идея опыта
272
А все остальное — рецепт приготовления «клея» для лов-
ли бактерии за хвост. Теперь жгутик приклеен к стеклу
и можно видеть, что начинает вращаться сама бактерия.
Часто говорят, что природа изобрела многое, но не изо-
брела колесо. Теперь вы видите, что как раз колесо-
то и было изобретено еще на заре жизни.
Но если действительно движение бактерии зависит
прямо от мембранного потенциала, то бактерии изобрели
не только колесо, но и электромотор! Такую идею стоило
проверить. В лаборатории В. П. Скулачева на другом ви-
де бактерий — на пурпурной бактерии А. Н. Глаголе-
вым было показано, что скорость движения бактерий дей-
ствительно зависит, как и предполагал Скулачев, не от
содержания АТФ в клетке, а от ее МП. В лаборатории был
поставлен такой эффектный опыт. Бактерии были отрав-
лены ядами, устраняющими потенциал, зависящий от
ионов Н+. А затем в среду был добавлен еще один яд —
валпномицин, который повышает проницаемость мембра-
ны бактерий для ионов калия. Калий начинал выходить
наружу, возникал МП. И дважды отравленные бактерии
оживали и начинали плыть!
Интересно, что электромотор бактерий обладает ре-
версом: если жгутик вращается по часовой стрелке, то
бактерия плывет жгутиком вперед, а если против часовой
стрелки, то жгутиком назад.
Придумано несколько конкретных моделей, которые
объясняют, как электроэнергия преобразуется в механи-
ческое вращение жгутика. Показано, что МП, при котором
работает мотор, порядка 200 мВ, что мощность мотора
примерно 10~17 Вт, что через жгутик входит внутрь бак-
терии примерно 1000 протонов в секунду. Изменение
направления вращения жгутика пытаются объяснить
поворотом угла «лопастей турбины». Однако подлинный
механизм работы этого мотора пока не выяснен.
Мы видели, что МП может быть использован клетками
в самых разных целях: в митохондриях, хлоропластах,
бактериях — для синтеза АТФ; бактериями — для вра-
щения жгутиков; в самых разных клетках — для транс-
порта веществ, например, у животных — для транспорта
сахаров, в митохондриях для поглощения Са++ (мито-
хондрии поглощают Са++ из клеток), у бактерий для по-
глощения К+ и т. д.; при «коротком замыкании» для вы-
работки тепла. Все эти факты привели Скулачева в 1975 г.
к следующему обобщению: в энергетике клеток есть два
универсальных носителя, а не один, как думали раньше,—
273
это АТФ и МП. А тем самым ясно, что МП необходим каж-
дой клетке, а не только нервному волокну.
Как правило, клетки используют в качестве источника
энергии МП, создаваемый выкачиванием ионов водорода*
Однако мы уже видели, что это не принципиально. От-
равленная бактерия начинала плыть и в том случае, ког-
да МП создавался К+. В связи с этим у Скулачева возник-
ла идея, что любой МП — это клеточный резерв энергии,;
который она в случае надобности может использовать*
В очень яркой форме выражается запас энергии у бакте-
рий — обитателей соленой воды, которые накачивают
внутрь много К+. На свету они за счет бактериородопсина
вырабатывают АТФ и поддерживают МП. Но если их
поместить в темноту и в среду без кислорода, то они бы-
стро переставали двигаться в среде, содержащей много
КС], — нет источников энергии. Но если их помещали
в раствор с NaCl, то за счет возникающего МП их движе-
ние поддерживалось в течение 9 часов. Таким образом,,
уже бактерии имеют аккумулятор электроэнергии, ко-
торый они заряжают либо от солнечных батарей, либо
от «тепловых электростанций».
Но и это еще не все. Существует особая замечательная
группа бактерий — цианобактерии (раньше их называли
сине-зелеными водорослями). Это древнейшие обитатели
Земли, обладающие рядом особенностей. Они способны
к фотосинтезу, могут сами усваивать атмосферный азот
и т. д. Среди цианобактерий есть многоклеточные суще-
ства, похожие на дождевого червя, у которого каждый
членик — отдельная клетка. Эти клетки имеют немного
разные функции и соединены межклеточными отверстия-
ми. Сходство с червем усиливается тем, что такие бактерии
умеют ползать. Они обладают положительным фототакси-
сом, т. е. ползут к свету. Сопротивление мембраны у них,;
так же как у большинства других бактерий и у митохон-
дрий, очень велико, а длина — всего несколько милли-
метров.
Работами В. П. Скулачева, Л. М. Чайлахяна и их
сотрудников было показано,; что цианобактерии умеют
передавать электроэнергию на расстояние. Это было
показано так. Было показано, что и эти бактерии могут
ползти без АТФ за счет энергии МП. Затем бактерии
были помещены в такие условия, что источником потен-
циала был только свет. В темноте бактерии не ползли,,
а при освещении нескольких клеток на одном конце дви-
гатели начинали работать вдоль всей длины бактерии
274
(рис. 70, б). При этом была зарегистрирована разность
потенциалов во внеклеточной среде между «головой» и
«хвостом» бактерии. Читатель может сказать, что мы уже
говорили о передаче электрической энергии в нервном
волокне. Конечно, передача нервного импульса связана
с энергетическими процессами. Но смысл импульса —
это передача информации. Через химический синапс
к нейрону энергия не передается, передается сигнал, ко-
торый включает собственные источники энергии клетки-
получателя. Совсем другое дело — цианобактерии. У них
передается от освещенного места к электромоторам дру-
гих клеток именно электроэнергия, так же, как она пе-
редаемся от электростанции по проводам к моторам элек-
тричек или пылесосов. Так что бактерии умеют выраба-
тывать^ передавать и запасать электроэнергию.
Квартирант превращается в электростанцию
В этом параграфе не случайно оказались
под одной крышей митохондрии, хлоропласты и бактерии.
Многие из биологов считают, что все они — близкие род-
ственники, что когда-то на заре жизни, когда на Земле
только-только появилось достаточное количество кисло-
рода, бактерии, умеющие его использовать, вступили
в симбиоз с амебоподобными клетками и поселились внут-
ри них. Эти бактерии вырабатывали АТФ и снабжали
им клетку-хозяина, которая заботилась о доставке пищи
и защите своих квартирантов. Согласно этой гипотезе точ-
но так же из фотосинтезирующих бактерий возникли
хлоропласты.
Эта гипотеза насчитывает около 100 лет существова-
ния. Она забывалась, возрождалась, осмеивалась и воз-
рождалась вновь. В 20-х годах пользовалась поддержкой
ряда русских ботаников, возможно, потому, что прежде
всего на ботаников произвело особенно сильное впечатле-
ние открытие, что лишайники — это симбиоз гриба и
водоросли. Новую жизнь этой гипотезе дала современная^
в частности молекулярная, биология.
Оказалось, что, например, у митохондрий, как и
у бактерий, имеются две мембраны. Наружная имеет
довольно крупные поры. Но у бактерий эта наружная
стенка прочная, так как она должна защищать клетку от
возможности осмотического разрушения, а у митохонд-
рии она потеряла механическую прочность, так как клет-
ка-хозяин заботится о поддержании постоянных осмоти-
275
ческих условий. Митохондрии имеют внутри себя ДНК,
которая, как и у бактерий, имеет кольцевую форму.
Есть внутри митохондрий и свои фабрики белка — ри-
босомы. Оказалось, что эти рибосомы похожи на бакте-
риальные, а не на рибосомы клеток-хозяев. Например,
антибиотики стрептомицин и тетрациклин останавливают
работу рибосом бактерий и митохондрий, но не влияют
на рибосомы хозяина, а вот циклогексимид — наоборот.
Митохондрии способны к размножению внутри клетки.
Можно привести и другие аргументы в пользу этой гипо-
тезы (а также и аргументы, говорящие против нее), но
это увело бы нас в сторону от нашей основной темы.
Практически все животные, растения и грибы, которые
дышат, имеют очень сходные митохондрии. А исключение
только подтверждает правило. Например, существуют
амебы, не содержащие митохондрий, зато в них живут
бактерии-симбионтыж выполняющие те же функции. Со-
гласно крайней точке зрения,клетки высших организмов —
весьма сборные образования: электростанции для дыха-
ния и фотосинтеза они получили от бактерий, а органы
движения (жгутики, реснички) — от симбиотических
спирохет.
Электричество и условные рефлексы
Все со школы знают о замечательных рабо-
тах И. П. Павлова по выработке рефлексов у животных.
Если собаке подают звуковой сигнал, а потом дают пищу
и повторяют это сочетание несколько раз, то у нее начи-
нает выделяться слюна в ответ на звуковой сигнал, хотя
до выработки условного рефлекса звук такой реакции
не вызывал. Естественно было поставить вопрос; что про-
изошло внутри мозга при выработке условного рефлекса?
Каким образом сигнал стал попадать от слуховых рецеп-
торов к слюнной железе, к которой он сначала не про-
ходил? К сожалению, вместо ответа биологи могли пред-
ложить в основном образные выражения, говоря, что
в мозгу «проторяются новые пути» или «замыкаются но-
вые связи». Лишь в последние годы появились эксперимен-
тальные факты, приближающие нас к ответу на эти во-
просы.
Изучение механизмов условных рефлексов ведется на
самых разных животных, в том числе и на таких, у ко-
торых немного нейронов. Мы расскажем про результа-
ты, полученные на морском брюхоногом моллюске Хер-
миссенде. Эти моллюски днем двигаются в сторону светас
276
как говорят, обладают положительным фототаксисом?
т. е. попросту всплывают в верхние слои воды, где соби-
рается их пища. Но при сильном волнении моря моллюск
уходит от света, т. е. опускается на дно. В лаборатории
у моллюска вырабатывали условный рефлекс: сначала
давали свет, а потом трясли моллюска или вращали на
специальной центрифуге. После некоторого числа сочета-
ний моллюск полз к свету гораздо медленнее, чем до обу-
чения, или переставал ползти к свету. Этот условный реф-
лекс обладал всеми признаками рефлекса, вырабатыва-
емого у собак и других животных: он не вырабатывался,;
если свет и вращение подавали в случайном порядке;
затухал через несколько недель; если начинали подавать
только свет без вращения, то затухал быстрее и т. д.
В выработке этого рефлекса принимают участие фото-
рецепторы, которых у моллюска всего 5 в одном глазке?
вестибулярные рецепторы, реагирующие на вращение,
мотонейроны, управляющие движением животного и не-
сколько промежуточных нейронов, связывающих эти
клетки между собой. Была выяснена схема связей этих
клеток (рис. 71) и предпринята попытка установить, в ка-
ком месте этой схемы возникают изменения при обучении
моллюска, какие нейроны или какие синапсы меняются?
иными словами, в чем же заключается «проторение путей».
Сначала посмотрим, как реализуется положительный
фототаксис (рис. 71, а). Две фоторецепторные клетки ти-
па А возбуждают интернейрон, он возбуждает МН,
который, в свою очередь, возбуждает мышцы, обеспечива-
ющие движение (синапсы нарисованы не на телах клеток,
так как у беспозвоночных синапсы действительно нахо-
дятся на отростках). Что же происходит в результате обу-
чения? Результат длительных исследований оказался со-
вершенно неожиданным. У моллюска выработка условно-
го рефлекса оказалась связанной с изменением свойств
фоторецепторных клеток, а не интернейронов или синап-
сов, как предполагали исследователи.
Кроме двух фоторецепторных клеток типа А у мол-
люска есть еще 3 фоторецептора типа В (рис. 71, б); эти
«разные группы фоторецепторов тормозят друг друга. До
обучения клетки А сильнее тормозят клетки В и поэтому
могут вызвать положительный фототаксис. После обуче-
ния клетки В начинают реагировать на свет сильнее?
теперь уже они «побеждают» и затормаживают клетки А,
снижая скорость движения к свету. Значит, в клетках
ВА на которые действовали и свет, и сигнал от вестибуляр-
277
ного аппарата, что-то произошло. Оказалось, что в клет-
ках В произошло снижение порога. Дальше выяснялось,/
какой фактор способствует снижению порога: действие
химического вещества, выделяемого вестибулярными
нейронами, или создаваемая этим веществом деполяриза-
ция. Для этого попытались выработать условный рефлекс,3
сочетая свет и деполяризацию фоторецептора типа В
Рис. 71. Клеточные механизмы обучения моллюска: а — нейронная
сеть, обеспечивающая движение моллюска к свету; б — нейронная
сеть, которая после обучения предотвращает его движение к свету
(стрелка показывает место, где при обучении возникают изменения)
через микроэлектрод. Оказалось, что рефлекс выраба-
тывается. Это значит, что под действием света и деполяри-
зации как-то меняются свойства мембраны фоторецепто-
ров типа В, так что их порог снижается.
Что же происходит с мембраной? Оказалось, что у фо-
торецепторов типа В после обучения не только снижались
пороги, но и появлялось еще одно свойство: после вы-
ключения света деполяризация сохранялась в течение
нескольких минут. Это наводило на мысль, что у таких
клеток калий слабо выходит из клеток и поэтому потенци-
ал не возвращается сразу к нормальному уровню. Может
быть, у таких клеток становится меньше К-каналов,}
а может быть, они начинают хуже работать. Во время
дальнейшей работы были выяснены биохимические ме-
ханизмы, которые приводят к изменению свойств К-ка-
налов.
278
Итак, оказалось, что по крайней мере у улиток услов-
ный рефлекс вырабатывается в результате изменения
электрических свойств мембран фоторецепторных клеток
в результате снижения эффективности работы их калие-
вых каналов. На другом виде улиток было показано, что
и другой рефлекс — втягивание дыхательного сифона при
раздражении тела улитки — связан с таким же механиз-
мом.
Однако не следует думать, что выработка любого ус-
ловного рефлекса связана с изменением электрических
свойств клеточных мембран. Сейчас изучены случаи, ког-
да выработка рефлекса обусловлена другим механизмом —
изменением эффективности работы синапса^ т, е. действи-
тельно «проторением пути».
Никто необъятного объять не может
Мы рассказали вам о многих функциях
электричества в живых организмах. Но не думайте, что
обо всех. Например, мы не смогли рассказать вам об
электрических процессах в растениях *). А ведь в расте-
ниях тоже распространяются потенциалы действия, под
влиянием которых опускает свои листочки в ответ на при-
косновение стыдливая мимоза или захлопывает свою
ловушку насекомоядная мухоловка.
Очень хотелось бы рассказать о биологических часах.
Ведь очень многие растения и животные «знают» время
суток. Мы носим свои часы на руке или в кармане, а вот
многие ракообразные и моллюски прячут свои часы в го-
раздо более надежном месте: внутри собственного гла-
за. Сейчас показано, что эти часы — электрические.
С помощью искусственного электрического импульса эти
часы можно «перевести», переставив их стрелки со «дня»
на «вечер». А если изменить ионный состав среды, окружа-
ющей клетки, которые образуют часы, то можно, напри-
мер, заставить часы отставать. Внимательный читатель
не удивится, узнав, что часы образованы группой клеток,
связанных электрическими синапсами,— ведь и тут для
точного хода часов необходимо бороться с шумами.
Интересно было бы рассказать и о перестройке струк-
туры кости при изменении нагрузки. Оказывается, под
действием нагрузки в кости возникают электрические
*) Читатель может восполнить этот пробел, разыскав книгу:
Галактионов С. Г,, Юрин В. М. Ботаники с гальванометром.—
М.: Знание, 1979<
279
поля и в зависимости от направления их силовых линий
клетки, создающие кость, перестраивают внутренние
костные балки так, чтобы они лучше сопротивлялись
действию нагрузки *).
Но где-то необходимо остановиться. Давайте же кончим
нашу историю на том, с чего мы ее начали. Электрофизио-
логия как наука началась с изучения тока повреждения
нервов. Можно было бы думать, что ток повреждения дав-
но сыграл свою роль и ушел в историю. Но ... ведь нервы
порой действительно повреждаются! Что же с ними тог-
да происходит?
Мы знаем, что ток повреждения быстро убывает (че-
рез час — в 10 раз, а через день— в 100 раз), это объясня-
ется тем, что на месте повреждения нерва формируется
новая мембрана. Однако оказалось, что в дальнейшем
этот ток уже не убывает и в регенерирующем нерве не-
делями сохраняет свою величину. В 1947 г. американский
биолог Доренто де Но высказал гипотезу, что этот ток
играет какую-то роль в процессе роста и регенерации, на-
примера переносит в кончик растущего нерва какие-то
важные внутриклеточные частицы (в кончике действи-
тельно скапливаются, например, митохондрии). Но ес-
ли ток повреждения ускоряет заживление нерва, то, мо-
жет быть, можно дополнительно ускорить этот процесс
пропуская через ткань слабый постоянный ток в нужном
направлении? И вот начались опыты по ускорению отра-
щивания ног у таракана, а потом — и по ускорению
заживления ран у млекопитающих. Появился ряд
обнадеживающих результатов. Но если ток влияет
на рост, то нельзя ли с помощью него ускорить развитие
эмбрионов животных?
Но тут мы вынуждены повторить слова Кристофера
Робина: «Экспедиция закончена»*
Дальше, дальше, дальше!
Книги выходят медленно. С тех пор, как мы
написали «Экспедиция окончена», прошел год и в биоло-
гии появилось множество интересных новинок, о кото-
рых хочется рассказать. Стоит, вероятно, отметить, чтог
большинство из них появилось в электробиологии там,
где она соприкасается с молекулярной биологией. Трудно
*) Об этом, как и об электрических процессах в растениях,
вы можете прочитать в книге: Богданов К. Ю. Физик в гостях у
биолога4— М.: Наука, 1986,— Библиотечка «Квант», вып. 49*
280
выбрать из этих новинок самую интересную. Можно
было бы рассказать о том, почему корень растения растет
вниз; оказывается, это тоже связано с электробиологией.
Можно было бы рассказать о работе обонятельных рецеп-
торов: оказалось, что пахучие вещества запускают в них
такие же цепочки химических реакций, как свет в фото-
рецепторах» Но мы решили рассказать о работах из об-
ласти иммунологии, которая на первый взгляд уж никак
не связана с электробиологией.
Еще в 1882 г. И. И. Мечников открыл явление фаго-
цитоза и разработал клеточную теорию иммунитета. За
прошедшее столетие иммунология превратилась в отдель-
ную биологическую дисциплину, в одну из «точек роста»
современной биологии. Иммунологи показали, что лим-
фоциты умеют уничтожать и чужие клетки, попавшие
в организм, и некоторые собственные клетки, изменившие
свои свойства, например раковые клетки или клетки,
пораженные вирусами. Но еще совсем недавно не было
известно, как именно лимфоциты это делают. В последнее
время это выяснилось.
Уже довольно давно было известно, что для уничто-
жения своей жертвы лимфоцит должен вступить с ней
в непосредственный контакт. Если ввести в это время
в клетку-жертву микроэлектрод и регистрировать ее МП
(это удалось недавно сделать американским ученым), то
можно обнаружить, что через короткое время после на-
падения лимфоцита МП жертвы резко убывает. Оказыва-
ется, лимфоцит проделывает в мембране своей жертвы
отверстия, устраивая, так сказать, короткое замыкание.
Через эти отверстия из клетки выходит калий, а внутрь
нее входят ионы натрия и кальция. Напрасно тратят
энергию ионные насосы жертвы — МП не повышается
и пораженная клетка через несколько минут погибает.
Но каким способом лимфоцит делает отверстия в мем-
бране атакованной им клетки? Ведь отверстие, сделанное,
например, микроэлектродом, вовсе не приводит к гибели
клетки: после вынимания микроэлектрода «рана» в мем
бране быстро затягивается. Оказалось, что лимфоцит
при контакте с жертвой выбрасывает из особых пузырьков
молекулы специального белка (этот процесс очень похож
на выделение медиатора в химических синапсах). Эти мо-
лекулы встраиваются в мембрану жертвы и из нескольких
таких молекул-субъединиц возникает трубка, продыряв-
ливающая мембрану. Белок, образующий такую трубку,
назвали перфорином. Возникающий в мембране перфори-
281
новый канал похож на канал, создаваемый коннектином
(см. гл. 7). Но коннексоны обладают «крышками» и от-
крываются только при «стыковке» двух клеток, связывая
их между собой, а порфириновые каналы никаких кры-
шек не имеют и постоянно находятся в открытом состоя-
нии. Клетка-мишень не может просто затянуть мембраной
дырки, образованные трубками перфорина, а на более
радикальные меры у нее нет времени.
Но почему во время нападения не погибает сам лим-
фоцит? Казалось бы, перфорин, выброшенный в щель
между двумя клетками, должен встроиться не только
в мембрану жертвы, но в собственную мембрану лимфоцита
со всеми вытекающими из этого последствиями. Действи-
тельно, молекулы перфорина встраиваются в мембрану
лимфоцита, но не убивают его. Дело в том, что у лимфо-
цита в мембране имеется «противоядие» — белок, кото-
рый связывает отдельные субъединицы перфорина и не
дает им образовать канал.
Можно было бы думать, что такая сложная система
нападения и самозащиты существует только у специализи-
рованных клеток многоклеточного организма — лимфо-
цитов (а на самом деле даже только у одной определенной
группы лимфоцитов — цитотоксических Т-лимфоцитов).
Однако оказалось, что это не так. Тот же способ нападе-
ния на чужие клетки выработали некоторые бактерии,
простейшие и грибы. Например, этот способ используют
во время охоты некоторые амебы. Правда, амебы или
грибы вырабатывают белки, отличающиеся от перфорина,
по точно с таким же механизмом действия.
На этот раз наше путешествие в мир электробиологии
завершается окончательно. Но пока эта книга попадет
к вам в руки, будут сделаны новые открытия и обнаруже-
ны новые загадки. Экспедиция продолжается!
ПОСЛЕСЛОВИЕ
Так кончается все на свете,
Г. В. Адлер
У кошки хвост кончается,
У школьника тетрадь...
Наша книга подходит к концу. Обычно пос-
ле окончания книги пишут предисловие, ведь только к это-
му моменту становится окончательно ясно, о чем книга ,
Вопреки традиции, мы написали предисловие до книги и?
перечитав, не стали его переделывать. Но из-за этого воз-
никла необходимость написать еще и послесловие.
Мы хотим подчеркнуть одну из возможных моралей
нашего рассказа. При зарождении электробиологии каза-
лось, что электрические явления в живых организмах —
совершенно особый класс явлений, не связанных с другими
проявлениями жизни и присущих лишь специализирован-
ным возбудимым тканям. Прочитав эту книгу, вы узнали,
насколько эти представления оказались далеки от дейст-
вительности.
Мы рассказали вам о синцитиальных тканях, в кото-
рых клетки связаны друг с другом высокопроницаемыми
контактами,; через которые они могут обмениваться раз-
нообразными сигналами и веществами, помогая друг
другу. Отдельные науки похожи не на инфузорий, каждая
из которых плавает сама по себе, а на клетки такого син-
цития, образуя в совокупности единую ткань Науки.
В этой книге мы старались показать, как содружество
наук — биологии и химии, математики и физики — изу-
чает Природу, в которой разнообразные явления тоже
тесно взаимосвязаны. А поэтому, пока вы молоды, поста-
райтесь обрести возможно более широкий взгляд на мир„
Мы желаем вам, чтобы вам все было интересно, так,,
как оно интересно на самом деле,— космогония и психо-
логия, история и физика, языкознание и биология. Нам
кажется, что это очень важно и нужно, и не только для
будущего ученого, но и для любого человека.
И еще мы втайне надеемся, что вам будет так же ин-
тересно читать эту книгух как нам интересно было ее
писать.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие 3
Г л а в а 1. РОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОБИОЛОГИИ 5
Историческая экспозиция (6). Немного о Гальвани
(7). Почему на столе у Гальвани стояла электриче-
ская машина (8). Физиология в эпоху Гальвани (12).
26 сентября 1786 г. (16). Вольта проверяет открытие
Гальвани и «закрывает» его (20). Спор сторонников
Гальвани и сторонников Вольта (25). Из истории
«металлического» электричества, открытого Вольта (28)
Реабилитация Гальвани (30)
Г л а в а 2. ПЕРВЫЕ ШАГИ ЭЛЕКТРОБИОЛОГИИ 33
Дюбуа-Реймон и его друзья (34). Основные явления
электробиологии: биопотенциалы (37). Раздражающее
действие тока: Дюбуа-Реймон (39). Раздражающее дей-
ствие тока: последователи (41). Скорость распростра-
нения возбуждения (43). «Волна возбуждения» (45)
Г л а в а 3. КАК В КЛЕТКЕ ВОЗНИКАЕТ РАЗНОСТЬ
ПОТЕНЦИАЛОВ 48
Ну и молодежь пошла! (49) Есть ли в неразрезан-
ном арбузе семечки? (49) От осмоса к электричеству
(51). Горячо! Совсем горячо! (55) Что такое нернстов-
ский потенциал (56). Загадка решена (58). Мембранная
теория (60). Снова о Бернштейне (62). Доказательства
мембранной теории. Что снаружи? Что внутри? (66).
О пользе бракованных микроэлектродов (69). Клеточная
мембрана (70). Опыты на «голой» мембране — торжест-
во мембранной теории (74). Мембранная теория требует
уточнений (76)
Г л а в а 4. КАК ВОЗНИКАЕТ НЕРВНЫЙ ИМПУЛЬС 78
Гипотеза «электрической дырки» (78). «Примерно равен»-<
но с избытком или с недостатком? (80). Как же они не
догадались! (82) От гипотезы до теории (83). Мо-
дель Ходжкина — Хаксли (89). Сколько сведений
помещается в четыре уравнения (94). Что же дальше?
(98)
284
Г л а в a 5. ОТ КЛЕТОК К МОЛЕКУЛАМ 100
Работа ионных насосов (100). Какие еще бывают на-
сосы? (ЮЗ) Протонная помпа (105). Зачем невозбуди-
мым клеткам потенциал покоя? (105). Как организмы
используют свои ионные насосы (107). Ионные каналы
(109).
Г л а в а 6. КАК В ОРГАНИЗМЕ ПЕРЕДАЮТСЯ СИГ-
НАЛЫ: ЖИВОЙ ТЕЛЕГРАФ 115
Теория «местных токов» (117). О надежности передачи
(121). Кабельная теория (123). Сопротивление беско-
нечного кабеля (126). Сигнал убывает и убывает (128).
Нервное волокно — бесконечный кабель (130). Безым*
пульсная передача сигналов, или первая встреча с гео-
метрией (132). Не забывайте о емкости! (137) Лучше
раньше, чем позже, или дорога ложка к обеду (138).
От чего зависит скорость нервного импульса? (141)
Проведение нервного импульса и модель Ходжкина —
Хаксли (144). А нельзя ли быстрее? (145) Железные
нервы со стеклянными бусами (148). Всегда ли выгодно
миелинизированное волокно? (151)
Г л а в а 7. КАК КЛЕТКИ ОБЩАЮТСЯ МЕЖДУ СОБОЙ 153
Что такое синапс (155). В месте контакта не спайка,
а разрыв (155). Какие бывают синапсы. Опять «великий
спор» (156). Электрические синапсы существуют, но
их не может быть (159). Нужда научит калачи есть
(160). Отрицательный результат — тоже результат
(161). Химический синапс (163). Выделение медиатора
(164). Работа постсинаптической мембраны (167). Какие
синапсы лучше — электрические или химические? (169)
Химический синапс и торможение (171). О величине
синаптических потенциалов (173). Устройства, подоб-
ные синапсам (174). Нервная клетка — клетка (177)
Г л а в а 8. ВТОРАЯ ВСТРЕЧА ^ГЕОМЕТРИЕЙ. ГЕОМЕТ-
РИЯ, ЭЛЕКТРИЧЕСТВО, ФУНКЦИИ 179
Загадка миокардиальных клеток и «геометрический под-
ход» (179). О шаре и цилиндре (182). Ну и что? Первые
примеры влияния геометрии на функции (185). Нервное
волокно расширяется, сужается, ветвится и кончается.
(187). Зачем нейрону дендриты, а дендритам шипики (192).
Геометрическое выпрямление (196). Разгадка сердечной
загадки (198). Одномерный, двумерный,} трехмерный
(201)
Глава 9. О МОЗАИКЕ КАНАЛОВ И НЕЙРОНОВ,
А ТАКЖЕ О ТОМ, КАК «ЖИВОТНОЕ ЭЛЕКТРИ-
ЧЕСТВО» ИСПОЛЬЗУЕТСЯ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ВАЖ-
НЫХ ЗАДАЧ 206
Как работает обычная нервная клетка (206). Как ба-
бочка складывает крылья (208). Как плавает пиявка
(210). «Батареи» из нейронов (212). Частотное кодиро-
вание и нейроны без импульсов (215). Клетки-генерато-
ры и мозаика каналов (217). Нейроны-гибриды (220). А
285
теперь о сердце (222). Редкий случай, когда «уравнилов-
ка» полезна (225). Теория — практике (227). Чуть-чуть
о дыхании (227)
Г л а в а 10. ВОРОТА В МИР 230
Фоторецепторы (232). Электрорецепторы. Как акулы
используют закон Ома и теорию вероятностей (237).
Борьба с шумами (243).
Глава И. МАСТЕР НА ВСЕ РУКИ 247
Электрическое оружие и электролокаторы (247). Как
поймать рыбу в мутной воде? А также про электрораз-
говоры (251). Что такое ЭКГ, ЭМГ, ЭЭГ? (253) Электри-
ческое хозяйство инфузории (258). Об электростанциях
клеток и немного о бактериях—первых электриках Земли
(265). Бактерии — первые электрики Земли. Они изоб-
рели электромотор с подшипником, передачу электроэнер-
гии по проводам и электрические аккумуляторы (271).
Квартирант превращается в электростанцию (275).
Электричество и условные рефлексы (276). Никто необъ-
ятного объять не может (279). Дальше, дальше, даль-
ше! (280)
Послесловие
283
Научно-популярное издание
Беркинблит Михаил Борисович
Глаголева Елена Георгиевна
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО В ЖИВЫХ ОРГАНИЗМАХ
Библиотечка «Квант», выпуск 69
Заведующий редакцией Г. С. Куликов
Редактор Л. А. Панюшкина
Художественный редактор Т. Н. Колъченко
Технический редактор Е. В. Морозова
Корректоры Т, С. Родионова, М. Н. Дронова
ИВ К2 32662
Сдано в набор 28.04.88. Подписано к печати 05.10,88. Т-17851,
Формат 84х108!/з2. Бумага тип. № 2. Гарнитура обыкновенная
Печать высокая. Усл. печ. л. 15,12. Усл. кр.-отт. 15,54. Уч.-изд. л. 16,46
Тираж 123000 экз. Заказ № 1673. Цена 70 коп.
Ордена Трудового Красного Знамени издательство «Наука»
Главная редакция физико-математической литературы
117071 Москва В-71, Ленинский проспект, 15
2-я типография издательства «Наука»
121099 Москва Г-99, Шубинский пер., 6
ИЗДАТЕЛЬСТВО «НАУКА»
ГЛАВНАЯ РЕДАКЦИЯ
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
117071 Москва В-71, Ленинский проспект, 15
ГОТОВЯТСЯ К ПЕЧАТИ В 1989 ГОДУ
в серии Библиотечка «Квант»
(Аннотированный темплан 1989 г., поз. 160—169)
Б. М. Болотовский, Как излучают электроны и атомы,
летящие быстрее света.
А. В. Б я л к о. Наша планета — Земля.
Г. А. Гальперин, А. Н. Земляков. Математические би-
льярды.
В. С. Гетман. Внуки Солнца.
А. Ю. Г р о с б е р г, А. Р. Хохлов. Физика в мире полимеров.
Л. Н. Королев. Компьютеры маленькие и большие: Что они
умеют и чего они не умеют.
Д. Г. К р у т о г и н, А. Т. М о р ч е н к о. Микроэлектроника
смотрит в будущее.
Л. Кэрролл. Логическая игра.
В. Р. Полищук. Как исследуют вещества.
А. С. Штейнберг. Репортаж из мира сплавов*
Предварительные заказы на эти книги принимаются без ограниче-
ния всеми магазинами Книготорга и Академкниги, распространяю-
щими физико-математическую литературу.
70 коп