Беркинблит, Глаголева - Электричество в живых организмах (Квант) - 1988, страница 12

Но изучение осмоса покааало, 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. Пфеффером был сделан вывод, имеющий чрезвычайно важное значение для развития биологии. Он предположил, что на поверхности растительной клетки под «панцирем» 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 давление.

Для этого Пфеффер воспользовался искусственными полупроницаемыми мембранами. Эти непрочные пленки он наносил на пористый глиняный сосуд, который не давал им лопаться от избыточного осмотического давления. Присоединив к такому сосуду ртутный манометр, Пфеффер получил прибор для количественного измерения осмотического давления — осмометр, Измеряя это давление для разных растворов, он обнаружил, что для каждого раствора опо прямо пропорционально концентрации растворенного вещества, не проходящего через мембрану. Но почему для разных растворов при одной и той же концентрации (по массе) получаются разные давления„ботаник 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 Броупа медленнее развивалась бы молекулярно-кинетическая теория, а беэ работ ботаника Пфеффера... Но об этом мы сейчас и расскажем. В 70-х годах прошлого века молодой голландский ботаник Х.

Де Фриз *) занимается влиянием осмоса на изменение объема клеток растений в растворах разной концентрации. В 1894 г. Де Фриз рассказал о работах Пфеф$ера по осмотическому давлению молодому химику Я. Вант Гоффу. Эксперимента чьные данные Пфеффера оказались для ВаитГоффа тем же, чем данные Тихо де Браге для Кеплера. Внимательно рассмотрев зти данные, Вант-Гофф увидел, что осмотическое давление в равных 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 ') П дальнейшем ов стал одним нз создателей современной генетика, перооткуыз з 1900 г. законы Мепдзлн; придумал термин «мутзцнлэ, Был ректором Аыстердзмского университета, выражения осмотического давления можно использовать уравнение Менделеева — Клапейрона! тлт р где л» вЂ” масса растворенного вещества, р — масса моля,  — газовая постоянная, Т вЂ” температура, К вЂ” 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 растворов многих веществ, например для сахаровы, для водного раствора СО,.

Но для некоторых веществ осмотическое давление оказывалось больше расчетного, и пе на какие-нибудь 10 — 15/о, а вдвое! Погрешность составляла 100Я. Вряд ли такую погрешность можно объяснить 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 ХаС!, т. е. молекула г!аС! в воде распадается на две частицы: Ха и С!. Из сопоставления этого факта с другими (например, с данными по проводимости растворов) Аррениус пришел к идее электролитической диссоциации, к идее, что частицы, на которые распадаются многие вещества, и есть те самые поныв 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 растворе! Уже в самом растворе без действия тока имеются и движутся заряженные атомы и молекулы.

Так изучение осмоса привело к открытию двух главных «виновников» возникновения «животного электричеств໠— клеточных мембран и ионов; но об их роли пока еще никто не догадывался. Горячо! Совсем горячо! В 1887 г. вышли статьи Вант-Гоффа и Аррениуса 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 Нобелевскую премию по химии и сменит М. Планка иа посту директора Института физики в Берлине. А пока оп скромный ассистент Оствальда, хотя и не новичок в науке. Работая как экспериментатор, оп уже успел открыть новое явление: возникновение электрического поля в телах, в которых совдан градиент температуры, если их поместить в магнитное поле. Теперь оп аанялся диссертацией и взялся за теоретическую работу о гальванических элементах. Конечно, до него такой теорией занимались великие умы: У. Томсон, Гиббс, Гельмгольц.

Но ведь тогда пе знали о ионах! Нерпст решил рассмотреть связь э.д.с. гальванических элементов с диффузией ионов. В (889 г. его диссертация была готова и опубликована. В ней, в частности, была развита идея Вольта о том, что электрические явления могут воапикать при соприкосновении двух разных жидкостей. Что такое иерпстовский потеициал Пусть в какой-то части сосуда находится электролит (например, раствор поваренной соли), а в другой — чистый растворитель (в нашем примере — вода). Как будет идти диффузия солир Положительно и отрицательно заряженные ионы имеют равную массу, по-разному взаимодействуют с водой, следовательно, движутся в жидкости с разными скоростями *). Пусть отрицательные ионы хлора (апионы) движутся быстрее и при диффузии «убегают> вперед от катионов — воаиикает «расслаивание» отрицательных и положительных ионов.

Это расслаивапие зыаызает появление в растворе алектрического поля («минус» — на переднем фронте диффузии), которое будет тормозить убежавшие вперед авионы и подгонять отставшие катионы, выравнивая скорости их диффузии. Естественно, Неркст в своей диссертации пе ограничился таким качественным описанием, а как настоящий физик вывел фоРмулу для диффузионного потенциала )тд, возникающего па границе контакта двух растворов с «) Эта идея была высказана еще в 185З г. И. Гитторфом, который сумел экспериментально намерять отношение скоростей движения разных ионов при электролизе, 56 концентрациями электролита С, и Сэ.' и — и ЛТ С~ Рл = — — !п —, и+и г" Св ' где и — скорость более быстрого иона, и — скорость более медленного иона, г1 — газовая постоянная, г'— число Фарадея, Т вЂ” температура.

Эта формула давала возможность подвергнуть прямой количественной проверке гипотезу Германа, согласно которой биопотенциалы возникают на границе двух участков протоплазмы — нормального и поврежденного, н 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, Чаговец еще учился в киевской гимназии.

В 1892 г. он поступил в Петербургскую военно-медицинскую академию. Лабораторией 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 работать военным врачом, отрабатывая свое обучение, как это пришлось сделать и Гольмгольцу.) Чаговец, конечно, предпочитал гипотезу Германа фантастическим электромоторным молекулам Дюбуа.

Но и гипотеза Германа была слишком абстрактной. Она говорила о каких-то реакциях в протоплазме, о каких-то молекулах, границах... И Чаговец развивает конкретный вариант теории повреждения, впервые объясняя возникновение биопотенциалов диффузией ионов. Но какое же конкретное вещество создает потенциал поврежденияу Как видно из формулы (3.1), желательно, чтобы анионы и катионы вещества имели разную подвигкность, а также чтобы его концентрация в месте разреза сильно отличалась от концентрации в неповрежденном участке. Чаговец решил, что это вещество — угольная кислота (НэСОэ), Он рассуждал так: разрез, как всякое раздражение, усиливает обмен веществ, а значит и выделение СОэ.

На основании данных, полученных еще Л. Германом, Чаговец принял, что концентрация угольной кислоты з7 в месте разреза увеличивается в 6,5 раз. Разность скоростей ионов Н+ и СО, давала для первого сомножителя формулы (3.1) значение 0,8. Чаговец произвел расчет потенциала повреждения мышцы при комнатной температуре (=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 ощутима.