11100 (Как в клетке возникает разность потенциалов)

Как в клетке возникает разность потенциалов

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 приписать частицам материи в организме каких-либо новых сил, которые бы не действовали и вне организма». Исходя из этой позиции, он и предложил первое теоретическое объяснение потенциала повреждения: электрические явления в живых организмах возникают потому, что вдоль мышц и нервов якобы тянутся цепочки особых «электромоторных» молекул. Каждая такая молекула представляет собой как бы два гальванических элемента, соединенных положительными полюсами, так что наружу выходят только отрицательные полюса. Где бы ни разрезать мышцу, на разрезе обнажатся отрицательные полюса, чем и объясняется потенциал повреждения.

Здесь четко видно, как биологическая теория строится на основании аналогии с современной ей физической теорией: последним словом о магнетизме была тогда теория Ампера о том, что свойства постоянных магнитов объясняются тем, что каждая молекула является маленьким магнитиком.

Дюбуа-Реймон придумал, как теперь сказали бы, модельный эксперимент для проверки своей гипотезы. Он напаял много маленьких элементиков «медь — цинк», соединил 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 реальной мышцы.

Благодаря такой оригинальной разработке, а отчасти и авторитету Дюбуа-Реймона теория электромоторных молекул, несмотря на ее фантастичность, была общепризнанной почти четверть века с момента ее выдвижения молодым Дюбуа в 1846 г.

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-Реймона в нормальной целой мышце тоже должны идти токи, так как в области сухожилий торчат ничем не скомпенсированные «самые последние в ряду» отрицательные концы электромоторных молекул. Дюбуа-Реймон обнаруживал такие токи, не делая специального разреза. Но когда аккуратный Герман научился так препаровать мышцу, чтобы действительно не повредить ее, оказалось, что в таких условиях никакие токи не возникают.

Значит, рассуждал Герман, в нормальной целой мышце и нерве вообще нет никаких токов и потенциалов. Токи возникают только тогда, когда мышцу или возбуждают, или повреждают. И причиной этого, предположил Герман, являются химические реакции, которые начинают идти на границе нетронутой и поврежденной протоплазмы.

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 электробиологии: возникает ли электричество в мышце только в момент повреждения или существует до повреждения.

Одним из самых весомых аргументов в научных спорах является эксперимент, однако бывает и так, что одна группа ученых придумывает красивый опыт, вполне убедительно его истолковывает, и все считают, что она победила, но потом выясняется, что опыт может иметь и совсем другое истолкование.

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 какой бы опыт для измерения разности потенциалов между наружной и внутренней частями мышцы ни поставить, неминуемо придется проникать в эту внутреннюю область, а тогда сторонники гипотезы альтерации скажут, что нанесено повреждение. По той же причине сторонники гипотезы альтерации не могут доказать, что в нетронутой мышце не существует разности потенциалов между ее внутренними и наружными частями.

Однако это соображение, по-видимому, не пришло в голову участникам дискуссии, и для подтверждения той или иной гипотезы ставились многочисленные новые опыты, которые хотя и не могли переубедить противников, но существенно способствовали развитию электрофизиологии.

Например, Герман поставил такой опыт. Он очень быстро разрезал мышцу и показал, что потенциал регистрируется не сразу после разреза, а спустя примерно 0,02 с. Это обстоятельство он объяснил тем, что требуется время для развития необходимых химических реакций. Но даже если бы опыт был верен, он не опроверг бы гипотезу предсуществования: Дюбуа-Реймон считал, что при возбуждении 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 времени стал научным противником Германа, и его сотрудник Чермак, повторив опыт Германа, показали, что уже через 0,3 мс после разреза можно зарегистрировать разность потенциалов. Но это не возымело никаких последствий. Герман просто решил, что реакции в результате повреждения развиваются быстрее, чем он первоначально 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 результате разрезания,

А, собственно, почему? Почему мы так уверены в существовании семечек внутри арбуза, хотя никак не можем это проверить, не разрезая его? Такую уверенность нам дает понимание того, как возникают эти семечки. Точно так же и в случае с биопотенциалами: для того чтобы решить спор Дюбуа-Реймона и Германа, надо было объяснить механизм возникновения этого потенциала или до повреждения, или в результате повреждения. При этом следовало строить это объяснение так, чтобы оно не противоречило другим научным данным и вписывалось в общую 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 похоже на детектив. Вернее, не на литературный детектив, а на реальное настоящее следствие. Чтобы выяснить истину: как все 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 подавляющее 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 сведений ту систему, которая приведет к истине и позволит потом выстроить стройную цепочку доказательств.

А вот когда следствие описывается в книге, то автору уже известна разгадка. Он тогда знает, какие детали существенны, а какие нет; но разные авторы используют эти детали по-разному. Одни авторы включают в ткань повествования все данные, необходимые 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 чесночный 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 изложение, по крайней мере, те факты и идеи, которые были важны для научного следствия, не имея возможности 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 покажет, кто виновник «преступления», т. е. «животного электричества», и каким оружием «преступник» пользовался».

От осмоса к электричеству

В самом начале нашего рассказа мы обмолвились вскользь, что аббат Нолле знаменит открытием осмоса. В то время никому и в голову не могли прийти, что именно исследование этого явления будет первым шагом к разгадке тайны «животного электричества». Это случилось так.

В 1826 г. парижский врач и физиолог А. Дютроше заинтересовался 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 шампиньон 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. Толстой в своем фантастическом романе «Аэлита» придумал, что атланты, переселившиеся на Марс, использовали для двигателей своих космических кораблей «растительную силу семян».

Дютроше подумал: а нельзя ли все эти чудеса объяснить осмосом — явлением, открытым еще в 1748 г. аббатом Нолле?

Напомним, что осмос — это явление самопроизвольного перехода растворителя в раствор, отделенный от него перепонкой, через которую проходит растворитель, но не проходит растворенное вещество. Такие пленки называют полупроницаемыми. Полупроницаемостью обладают разные пленки биологического происхождения: кожа лягушки, стенка мочевого пузыря и т. д. Если взять стеклянную трубку и затянуть один ее конец полупроницаемым материалом, затем налить в трубку раствор сахара и опустить ее затянутым концом в воду, то вода будет проникать из наружного 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 знаменательно, что само явление осмоса Дютроше считал проявлением «жизненной силы». Он попробовал заменить бычий пузырь или другие ткани биологического происхождения 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 пытался объяснить осмосом.

Но самое главное, Дютроше показал, что осмос — это чисто физическое явление. С этого момента сторонники физико-химического направления в биологии начали многочисленные 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 начали 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 перегородкой.

Главная задача состояла в том, чтобы выяснить, какие вещества и как быстро могут проникать в клетку. Представим себе, что растительную клетку поместили в концентрированный 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. 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 оно прямо пропорционально концентрации растворенного вещества, не проходящего через мембрану. Но почему для разных растворов при одной и той же концентрации 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 Броуна медленнее развивалась бы молекулярно-кинетическая теория, а без работ ботаника Пфеффера... Но об этом мы сейчас и расскажем.