10310 (Первые шаги электробиологии)

Первые шаги электробиологии

Если в первой половине нашего рассказа место и время действия можно было охарактеризовать так: Италия, XVIII век, то теперь происходит "смена декораций" - на сцене Германия, XIX век.

Но меняются не только время и место, меняется и сам характер науки. В XVIII веке наукой занимались в основном 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, способствует 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 Шванну пришло в голову, что "пузырьки", которые он видел в тканях животных и которые клетками не считали, потому что они не отделяются друг от друга хорошо видимыми 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, личный 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 результатами; научная школа - это в некотором смысле коллективный разум.

Дальнейшее развитие электробиологии тесно связано с научным коллективом, родоначальником которого был профессор Берлинского университета И. Мюллер. Его учениками были Т. Шванн - создатель клеточной теории, Р, Вирхов - один из создателей клеточной физиологии, Э. Геккель - знаменитый дарвинист, сформулировавший биогенетический закон, Г. Гельмгольц - один из открывателей закона сохранения энергии и многие другие. Его учеником был и Эмиль Дюбуа-Реймон - "отец" электрофизиологии, Дюбуа-Реймон и его друзья

Еще в студенческие годы Э. Дюбуа-Реймон вместе со своими друзьями К. Людвигом, Э. Брюкке и Г. Гельмгольцем выработали четкую научную программу; создать новую физико-химическую биологию.

В одном из своих ранних писем Дюбуа писал: "Брюкке 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 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 знаменитыми, будут начинаться с изложения физических законов. Во всех своих работах при изучении самых разных физиологических явлений друзья оставались верны своей биофизической программе.

Научная жизнь Дюбуа была очень удачной. Уже в возрасте 33-х лет он стал членом Прусской академии наук. Ему удалось создать специальный институт, где были отделы физики химии микроскопических исследование специальные мастерские, где изготавливались приборы в оборудование. В этом институте бывали и работали многие немецкие и приезжие ученые; например, из России приезжали И.М. Сеченов, Н.Е. 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 самостоятельной работы - повторить опыты Меттеучи, который к этому времени стал уже академиком.

Дюбуа увлекся этой темой, и хотя в дальнейшем он иногда занимался другими вопросами, фактически всю свою научную жизнь посвятил электрофизиологии.

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 практически невозможно. Поэтому Дюбуа, выполняя курсовую работу, одновременно поставил своей задачей разработать специальное оборудование, которое позволило бы в разных лабораториях получать сравниваемые результаты. В итоге он создал комплекс приборов, обслуживающий все основные моменты исследований: раздражение мышц и нервов, отведение возникающих в них потенциалов, т.е., как их принято называть, биопотенциалов, и их регистрацию.

Прибор для раздражения, который назывался "санный аппарат Дюбуа-Реймона", позволял строго дозировать раздражающее воздействие. 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 тока - 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; 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 специальной линейке. И если в статьях по биологии было написано: "Сила раздражения была равна 12 см", все понимали это 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 электростимуляторы.

Усовершенствование, введенное Дюбуа для отведения биопотенциалов, 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 не создавали такой разности потенциалов.

Трудности, связанные с измерением биопотенциалов, 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 эти трудности, придумав так называемый компенсационный метод измерения потенциала, возникающего в мышце.

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 оказали 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. Словом, как теперь сказали бы, занимался внедрением своего комплекса, добиваясь стандартизации электрических измерений в биологии.

Следует отметить, что такая стандартизация совершенно необходима для соблюдения 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-первых, он изучал токи, генерируемые живыми тканями; во-вторых, он изучал законы действия электрического тока как раздражителя нервов и мышц.

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 обнаруживается разность потенциалов. Ток, регистрируемый при этом, Дюбуа-Реймон назвал током повреждения.

Если раздражать нерв или мышцу, то в месте раздражения возникает электрический сигнал, который распространяется по нерву или мышце; этот сигнал Л. Герман 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, 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 мышцЫа зависит ли ток повре; кдения от направления 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 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 в нерве. Сделав эти открытия, Дюбуа исследовал нервы 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, и Дюбуа сделал вывод, что нервы самых разных животных устроены достаточно сходно. Он первый получил своеобразную электроэнцефалограмму, обнаружив ток повреждения в коре больших полушарий.

Кроме того, в 1848 г. Дюбуа обнаружил разность потенциалов между наружной и внутренней поверхностями кожи лягушки. Эту разность потенциалов он объяснил работой кожных желез и, как вы дальше узнаете, был недалек от истины.

Результаты своих исследований Дюбуа-Реймон изложил в трех больших томах "Исследования по животному электричеству". 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. 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, нельзя не сказать сразу, что он принадлежал к числу тех избранников, которые прокладывают пути в темные области не для одного, а для нескольких поколений".

Раздражающее действие тока: Дюбуа-Реймон

Еще Вольта пытался "внести меру" в изучение раздражающего действия тока, но у него ничего не вышло, потому что лапка лягушки была куда более 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.

Прежде 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 постоянной силой раздражения. Тем самым он ввел одно из 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. Обнаружилось, что скорость нарастания [тока очень важна: если включать постоянный ток, то мышца возбуждается при небольших силах тока, если же увеличивать силу тока постепенно, начиная с нуля, то мышца не возбуждается и при значительно более сильном токе. Более того, при достаточно медленном нарастании силы тока мышца могла вообще не возбудиться. Впечатление было такое, как будто бы при медленном нарастании тока мышца "привыкает" к его действию.

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 мою включать ток на сотые или тысячные доли секунды.

Что же удалось выяснить Дюбуа о, может быть, самом главном процессе - "электрической картине", развивающейся в нерве или мышце в ответ на раздражение? Очень немногое. Препятствием тут послужила та же трудность - невозможность работать с кратковременными электрическими сигналами. Все гальванометры Дюбуа были сильны инерционными и не позволяли регистрировать кратковременные токи.