Беркинблит, Глаголева - Электричество в живых организмах (Квант) - 1988, страница 14

13. Опыты Бернштейна и Габера. а — Тои идет от ватретото участка мышцы к колодному. 6 — Ток идет от участка с меньшой иаружиой коицевтрацией ионов К+ к участку с большей иовцеитГтт Ст рацией. Это согласуется с формулой Нериста: У„= — ! в —,; чем больше Т, теы больше мембраввый потенциал, чем больше С„ тем, наоборот, меньше мембранный вотеициал выпустил в свет только тогда, когда он сумел получить экспериментальные данные, которые могли послух<ить аргументом, хотя и косвенным, в их пользу. Найти один из таких аргументов Бернштейну помогла все та же формула Нернста. В эту формулу кроме неизвестных концентраций неизвестно какого иона входит еще Т вЂ” температура, а ухт ее-то можно было не только измерить, но и менять по своему усмотрению. Проведя серию опытов на мышце лягушки, Бернтптейн показал, что если нагревают продольную неповрежденную поверхность мышцы, то в определенном диапазоне (при не слишком высоких температурах) регистрируемый потенциал повреждения, действительно, прямо пропорционален Т, как и следует из формулы Нернста.

Нагреванке самого разреза, напротив, не влияло на значение потенциала. Это и был аргумент против теории повреждения. 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, 13, а), Этот результат также прямо следует из теории: в более теплом месте поверхности возникает больший положительный потенциал, чем в холодноы. Нак 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 полное отсутствио данных о том, какой именно ион вызывает потенциал. Но вот в 1905 г. в Берлине молодой сотрудник Пернста (Нернст теперь уже не скромный ассистент Оствальда, а директор Института химии) Гебер обнаруживает, что все соли, содержащие калий (например, КС), Кг(Оэ и др.), оказывают сходное действие на мыпщу: участок мышцы, на который действует раствор такой соли, приобретает отрицательный потенциал по отношению к другим участкам мышцы. Бернштейн сразу оценивает значение работы Гебера— ведь мембранная теория объясняет ати результаты очень вросто: стоит только предположить, что К+ и является тем ионом, который создает потенциал.

Все соли, содержащие калий, диссоциируя в растворе, увеличивают нарул ную концентрацию ионов калия, при этом отношение концентраций С„!С,, падает, и область, на которую действуют солью, приобретает меныпий, чем другие участки, потенциал (рис. 13, б). Фанты сами по себе мало о чем говорят. Герман, почти аа 40 лет до Бернштейна, наблюдая влияние температуры на мышцу, видел, что при нагревании участка, удаленного от разреза, потенциал растет.

Эти факты не имели тогда истолкования и поэтому были полузабыты. Влияние солей калия на потенциал, оказывается, тоже было описано за 10 лет до Гебера в книге Бидермана, посвященной алектробиологип, п на это тоже не обратили внимания, Только теория придает экспериментальным фактам смысл, позволяет отделить существенные от второстепенных, освощаот их значение внутренним светом, В 1912 г. вышла в свет большая книга Бернштейна «Электробиология». В этой книге дано объясненио не только потенциала покоя„но и многих других явлений, о чем мы расскажем дальше. Но очень вансно, что Бернштейн предсказывает гораздо более общее значение мембранной теории, чем просто объяснение работы мышцы и нерва.

Ведь по мембранной теории для возникновения ПП никаких специальных свойств от клетки не требовалось„и вполне естественно было предположить, что ПП 64 присущ не только этим тканям, что все клетки могут вырабатывать электричество. Бернштейн объясняет работу электрического органа рыб, работу желез, движения насекомоядных растений и дая е пытается объяснить движение внутриклеточных частиц — хромосом — при делении клеток клеточными потенциалами. Эта книга заставляет вспомнить о другой книге, книге В.

Ю. Чаговца, вышедшей в 1903 г. Невольно возникает впечатление, что Берпнгтейн идет прямо по стопам Чаговца, у которого з книге мы видим те гке главы: о работе я<елее и кожных потенциалах, о работе электрических 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 аакономерно, так как несмотря на достаточно глубокую разработку теории, проведенную Бернштейном, все экспериментальные ее подтверждения были косвенными: они доказывали следствия теории, а как хорошо понимают математики, если из А следует Б, то зто не означает, что из Б следует А.

Поэтому все основные утверждения мембранной теории были по существу гипотезами, и для доказательства ее истинности не было другого пути, как доказать правильность (т. е. соответствие действительности) гипотез, положенных в ее основу, а именно докааать, что: а) клетки имеют мембрану, проницаемую для какогото иона (К+ нлп, может быть, некоторого другого иона), б) концентрация этого иона (причем свободного, а не связанного) внутри клетки сильно отличается от его когпгентрации в наружной среде; в) потенциал возникает на мембране только эа счет ее проницаемости для этого иона и потому равен нернстовскому потенциалу.

Пока данных, прямо подтверждающих истинность этих фундаментальных положений мембранной теории, не было, следствие из нее могло получить и получало в продолжавшемся споре другое толкование. Так, влияние температуры могло объясняться ускорением химических реакций пусть не в месте повреждения, а на поверхности мьппцы; влияние калия па величину ПП также могло быть истолковано как его химическое взаимодействие с веществом клетки и т.п. 65 Наиболыпим нападкам подвергалась основа основ теории — само существование мембраны, которую никак не удавалось увидеть в самый сильный микроскоп.

Возрая<ения относились не только к качественной картине явлений: были созданы теории, которые объясняли ПП свойствами протоплазмы и предсказывали ту же линейную зависимость ПП от температуры. Таким обрааом, установить, какая теория верна, с помощью косвенных экспериментов оказалось невозможным.

А прямые экспериментальные доказательства мембранной теории были получены очень нескоро: онн требовали исследований на клеточном уровне, а в то время клетка как таковая еще не стала объектом электрофизиологического эксперимента. Доказательства мембранной теории. Что снаружи? Что внутри? Из трех основных «действующих лице мембранной теории — мембрана, наружная среда, внутренняя среда — довольно хорошо была исследована лишь наружная среда, и не только потому, что она была наиболее доступной. Химическим составом среды, окру>павшей клетки организма, биологам уже давно пришлось заниматься вне всякой связи с мембранной теорией.

При л>обых 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 орган» погибнут. Естественно, подбор таких растворов был связан с исследованием 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 практическое значение: например, при сильных кровопотерях„ если нет донорской крови, пострадавшему вливают «физиологический раствор» — смесь солей, близкую к составу плазмы крови).

Поатому важный для подтверждения мембранной теории солевой — а значит и ионный — состав таких внеклеточных жидкостей был хорошо известен. Оказалось, что «главный поставщик» ионов всех таких растворов — обыкновенная поваренная соль ХаС1. Предполагают, что в атом огра>кается происхо>кдение животных («море — колыбель жизни»), главные ионы морской воды — тон<е натрий и хлор. Особенно интересно и очень существенно с точки зрения мембранной теории то, что хотя абсолютная концентрация солей в тканевой жидкости разных организмов в зависимости от условий их обитания сильно варьирует (например, у морского моллюска аплиаии эта среда содержит 500 ммоль натрия, а у пресноводного моллюска беззубки — только 13 ммоль), но соотношение концентраций 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.