Беркинблит, Глаголева - Электричество в живых организмах (Квант) - 1988, страница 8

Они считали, что знание физики необходимо для биолога, и учебники по физиологии, которые они напишут, став маститыми и знаменитыми, будут начинаться с излои<ения физических законов. Во всех своих работах при изучении самых разных физиологических явлений (работы органа слуха, почек и др.) друзья оставались верны своей биофизической программе. Научная жизнь Дюбуа была очень удачной.

Уже в возрасте 33-х лет он стал членом Прусской академии наук. Кму удалось создать специальный институт, где были отделы физики, химии, микроскопических исследований, 34 специальные мастерские, где изготавливались приборы и оборудование. В этом институте бывали и работали многие немецкие и приезжие ученые; например, из России приезжали И. М. Сеченов, Н. К.

Введенский, В. М. Бехтерев, знаменитый врач С. П. Боткин и др. Именно в результате 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 Рнс. 5. Комплекс прнборов Дюбуа-Реймонз: А — неполярнзующнеся электроды, й — санный аппарат Дюбуа-Рейнеке (1— кервнчяан катушка, л — вторичная кагушке, 3 — молоточек Нефа, е — гзльвеннческкй элемент Даниэли, 5 — шкала, 6 — ключ),  — раздражающие электроды, à — гальванометр самостоятельной работы — повторить опыты Меттеучи, который к этому времени стал уже академиком.

Дюбуа увлекся атой темой, и хотя в дальнейшем он иногда аанимался 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 собственном конструкции, и сопоставлять их показания было практически невозможно. Поэтому Дюбуа, выполняя курсовую работу, одновременно поставил своей задачей разработать специальное оборудование, которое повволило бы в равных лабораториях получать сравниваемые результаты. В итоге он создал комплекс приборов, обслуягивающий все основные моменты исследований: раздражение мышц и нервов, отведение возникающих в них потенциалов, т.

е., как их принято называть, биопотенцпалов, и их регистрацию. Прибор для раздражения, который назывался «санный аппарат Дюбуа-Реймона«, позволял строго дозировать раздражающее воздействие (рнс. 5). Он представлял собой две катушки с большим числом витков; одна катушка могла выдвигаться из другой, скользя по специальным полозьям. К внутренней — первичной — катушке присоединили источник тона — гальванический элемент Даниэля с известным значением э.д.с.

В цепь был включен прерыватель тока — молоточек Нефа, такой, какой сейчас используют 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 раздрая«ающий ток был слабее; степень выдви«кения катушек отмечалась на специальной линейке.

И если в статьях по биологии было написано: «Сила раздражения была равна 12 см», все понимали зто однозначно. Индукционные катушки использовались в биологических лабораториях еще в 50-х годах нашего века; только лет двадцать пять назад их вытеснили электронные генераторы тока, так называемые электро- стимуляторы. Усовершенствование, введенное Дюбуа для отведения бнопотенциалов, было очень существенным: он понял, что биопотенциалы нельзя отводить просто медными проволочками, так как в месте соприкосновения металла с тканью возникают потенциалы, вполне сравнимые с теми, которые хотят измерить. Разработанные Дюбуа специальные электроды (нх называют неполяризующимися) не создавали такой разности потенциалов.

Трудности, связанные с измерением бнопотенциалов, сходны во многом с трудностями измерения э.д.с, источника; их не устранить только повышением чувствительности приборов, необходимо еще, чтобы внутреннее сопротивление прибора было гораздо выше внутреннего сопротивления источника тока. Дюбуа остроумно обошел вти трудности, придумав так называемый компенсационный метод измерения потенциала, возникающего в мышце (сходный принцип лежит в основе широко применяющегося в электротехнических измерениях мостика Уинстона). Все эти, казалось бы, технические и потому второстепенные усовершенствования на самом деле сыграли немаловажную роль в том, что исследования Дюбуа-Реймона, начатые им на студенческой скамье, стали выдающимся достижением науки того времени.

Более того, они оказа- 36 ли существенное влияние и на уровень всех проводимых в то время работ по электробиологии, так как Дюбуа-Реймон широко пропагандировал свои приборы, дарил их своим коллегам (например, индукционную катушку в Россию привеа Сеченов). Словом, как теперь сказали бы, занимался внедрением своего комплекса, добиваясь стандартизации электрических измерений в биологии. Следует отметить, что такая стандартизация совершенно необходима для соблюдония общепринятого в современной науке требования к эксперименту — требования воспроизводимости.

Так что внимание Дюбуа к «технической», методической стороне дела следует рассматривать как серьезный вклад в разработку общих принципов методологии естественных наук. Работы Дюбуа-Реймона шли в двух основных направлениях: во-перзых, он изучал токи, генерируемые живыми тканями (тут он продолжал линию Гальвани — Маттеучи); во-вторых, он научал законы действия электрического тока как раздражителя нервов и мышц (здесь оп 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: бнопотепциалы Если надреаать мышцу поперек волокон, то между разрезом и нетронутой поверхностью мышцы обнаруживается равность потенциалов. Ток, регистрируемый при этом, Дюбуа-Реймон назвал током повреждения. Если раздрая.ать нерв или мышцу (причем не обязательно электричеством), то в месте раздражения возникает электрический сигнал, который распространяется по нерву или мышце; этот сигнал Л. Герман (ученик Д«обуа) назвал током действия.

Со всей присущей ему тщательностью Дюбуа применил разработанный им комплекс приборов к научению этих явлений. Так, он не просто повторил опыты Маттеучи, показавшего, что в поврежденной мышце возникает электрический ток, а проверил, как меняется картина, если электроды помещать ближе к месту повреждения или дальше, что будет, если оба электрода ввести в поврежденный конец мышцы, зависит ли ток повреждения от направле- ния разреза и его величины, одинаково ли явление в разных мышцах и т. д. Оказывается, что во всех мышцах наблюдается примерно одинаковая картина: по наружной поверхности поврежденной мышцы (вернее, по раствору, омывающему зту мышцу) идет электрический ток по направлению к месту разреза, причем с течением времени сила тока ослабевает.

Этот процесс довольно длителен: ток исчезает через несколько 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 з нерве. (Это был первый случай, когда электричество объективно зарегистрировали в нервах; гальванометры Маттеучи были для этого недостаточно чувствительными!) Сделав эти открытия, Дюбуа исследовал первы самых разных животных: омара, щуки, лягушки, утки, кролика, кошки, собаки,— так что его можно считать основателем сравнительной электрофизиологии. Во всех случаях значения потенциала повреждения оказались примерно одинаковыми (порядка 0,02 В), и Дюбуа сделал вывод, что нервы самых разных я«ивотиых устроены достаточно сходно. Он первый получил своеобразную злектроэнцефалограмму, обнаружив ток повреждения в коре больших полушарий.

Кроме того, в 1848 г. Дюбуа обнаружил разность потенциалов между наружной и внутренней поверхностями кожи лягушки (примерно 0,1 В). Эту разность потенциалов ои объяснил работой кожных желев и, как вы дальше узнаете, был недалек от истины. Результаты своих исследований Дюбуа-Реймон изложил в трех больших томах «Исследования по животному электричеству» (1848, 1849, 1869 гг.). Разумеется, в этих томах не все данные были получены лично Дюбуа. Но именно он был тем человеком, который привел все сведения о «животном электричестве» в систему, провел колоссальную работу по их уточнению и восполнению недостающих деталей.

Оп описал, при каких условиях, где, на каких объектах мон«но 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, нельзя пе сказать сразу, что он принадлежал к числу тех избранников, которые прокладывают пути в темные области ке для одного, а для нескольких поколений». раздражающее действие тока: Дюбуа-Реймон Еще Вольта пытался «знести меру» в изучение раадражающего действия тока, ио у него ничего не вьппло, потому что лапка лягушки была куда болев чувствительна, чем лучшие его электроскопы. Дюбуа начинает заново изучение этого вопроса: у него есть новые источники раздражения — гальванические элементы или санный аппарат — и чувствительные гальванометры. Прея«де всего Дюбуа пробует раздражать мышцу, включая постоянный Раздражающий ток разной силы.

Ему удается измерить ту минимальную силу тока, которая заставляет мышцу сократиться. Эту минимальную силу тока Дюбуа назвал порозовей силой раздражения (или пороговой силой тока). Тем самым он ввел одно нз основных понятий электробиологии. Выяснилось, что порог не является абсолютной константой: например, разные мышцы имеют разные пороги. Дюбуа пробует выяснить, как будет действовать па мышцу не постоянный ток, а ток, постепенно нарастающий по времени.