Беркинблит, Глаголева - Электричество в живых организмах (Квант) - 1988 (947484), страница 15

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 15)

Таким образом, у всех животных зта среда по существу представляет собой в большей пли в меньшей мере разбавленную морскую воду. Гораздо труднее было определить ионный состав внутриклеточного содержимого. Ученые пытались использовать для определения этого состава самые разные методы, о которых мы не будем вам подробно рассказывать (тут и химический анализ, и изучение спектров при сжигании клеток, и изотопные методы, и метод нейтронной активации...), по все данные, полученные этими методами, были лишь приблизительными: клетки слишком малы, а между ними всогда имеется межклеточное вещество и я<идкость.

Кроме того, сторонникам мембранной теории надо было не просто показать наличие калия внутри клеток, а наличие именно свободных, несвязанных ионов калия. Эта проблема была, как уже не раа случалось, решена с помощью двух подходов: и разработкой новых методов измерения, и подбором подходящего объекта. В 1936 г. английский специалист по головоногим моллюскам Дж. Юнг обнаружил у кальмаров нервное волокно, диаметр которого доходил до миллиметра, т.

е. по клеточным масштабам гигантское, хотя сам моллюск вовсе не был гигантским. Такое волокно, выделенное из организма и помещенное и морску<о воду, не погибало. Наконец-то появилась живая клетка, в которую можно было проникнуть, с которой можно было работать. ° В 1939 г. английские ученые А. Ходжкин и его ученик А. Хаксли впервые намерили разность потенциалов на мембране я ивотной клетки (рис. 14).

Удалось также докае) В отличие от животных бактернн, растения н грибы но ноядержнвз<от постоянную веруя<кую среду. Отчасти поэтому нх клетки н покрыты >костной оболочкой, защнща<ощей нх от разрыва осмотнческнм Лавленнем. 61 зать, что внутри этого волокна действительно много ионов калия, что эти ионы представляют собой «ионный газ», т. е. могут участвовать в создании мембранного потенциала (МП). При этом расчетное значение ПП неплохо совпадало с непосредственно измеренным (около 60 мВ).

Распространить эти данные с уникальной клетки— гигантского аксона — на обычные клетки стало возможным, когда в 1946 г. американские ученые Дп«ерард Рвс. ) ь Измерение потенциала покоя аксона кальмара: А — ансон (т — его аясоплазма, 2 — мембрана), Б — взоляровзппый проводник с оголенным копчиком (8), звсдсввый вдоль осп вязова, Л— второй злоятрод, который заходится з морской воде, окружающей зксов, à — взморвтсльвып прибор, Д вЂ” капля масла, изолирую- щая торец аксона от морской воды н Линг разработали новую методику — методику микро- электродов. Микроэлектрод — это вытянутая иэ нагретой стеклянной трубочки тоненькая пипетка с диаметром кончика менее 1 мкм (тысячной доли миллиметра), заполненная раствором электролита.

Стекло играет роль изолятора, а электролит — проводника. Такой электрод можно ввести в любую клетку, практически ее не поврен«дая. Новая техника эксперимента быстро получила широкое распространение в самых разных исследованиях и за несколько лет буквально аавоевала мир. Сам Джерард в США зарегистрировал ПП мышцы лягушки, сокращение которой наблюдал Гальвани и токи поврен«девиа в которой изучал Дюбуа-1'еимон.

Дж. Экклс в Новой Зеландии зарегистрировал ПП клетки мозга, Б. Катц в Апглпп начал изучать с помощью новых электродов действие нерва на мышцу; в Швейцарии С. Вайдман первым сумел ввести хрупкий микроэлектрод з сокращающееся сердце. В нашей стране пионером микроэлектронных исследований стал сотрудник Киевского государственного университета Платон Григорьевич Костюк, который начал прп- менять эту технику в середине 50-х годов.

(Сейчас П. Г. Костюк — академик; он долгое время возглавлял Отделение физиологии АН СССР.) Вскоре были получены достаточно полные данные о величине ПП для разных клеток, ПП был обнаружен не только у мышечных и нервных клеток, но и у эритроцитов, клеток кожи, печени н др, Если считать, что причиной ПП слуя~ит разность концентраций ионов калия во внутренней и наружной средах клеток, разделенных мембраной, а все клетки в этом отношении устроены в общем сходно, то наличае ПП совершенно закономерно, хотя и пе ясно, зачем понадобился ПП, например, клеткам слюнной я.елезы или печени.

О пользе бракованных микроэлсктродов Теперь, когда достаточно точное измерение ПП в отдельной клетке не представляло проблемы для проверки мембранной теории по формуле Нернста, оставалось сделать последний шаг — научиться так же точно определять ионный состав в клетке, И замечательно, что развитие микроэлектродной техники помогло решить и эту задачу. Дело в том, что изготовление мякроэлектродов— это целое искусство: и стекло подобрать, чтобы хорошо тянулось, и режим нагрева и скорость вытягивания, чтобы кончин не обламывался и внутренний канал пе закупоривал, и т. д. п т. п.

И вдруг оказалось, что даже если з опыте использовался плохой, «бракованный» электрод, у которого на кончике вообще пе оыло отверстия, потенциал все равно регистрировался, как будто стекло было не изолятором, а проводником. Когда стали в этом разбираться, оказалось, что, действительно, тоненькие стенки микроэлектродов нз некоторых сортов стекла представляют собой — что бы вы думали? — полупроннцаемую мембрану, т. е.

избирательно пропускают попы какого-либо сорта. Если такой электрод, заполненный раствором с известной концентрацией изучаемого иона, опустить в раствор, содержащий тот же нон, то, зная значение возникшего нернстовского потенциала, можно использовать формулу Пернета для решения обратной задачи — определить неизвестную концентрацию нона в исследуемом растворе. Использованле таких электродов в сочетании с методом меченых атомов и другппи методамп позволило 69 определить ионный состав внутриклеточного содержимого. Оказалось, что, как и предсказывала мембранная теория, внутри клеток концентрация ионов калия в 30 — 40 раз выше, чем в наружной среде.

Окааалось также, что соотношение калия и натрия внутри клеток животных совершенно иное, чем вне их: в то время как вне клетки много натрия, в клетках, наоборот, калин почти в 10 раз больше, чем натрия. Высокое содержание ионов калия было обнаружено не только в нервных, но и в разных других клетках организма (клетках кожи, эритроцитах н т. д.). Таким образом, внутреннее содержимое всех клеток животных оказалось непохожим на морскую воду. В ходе эволюции эти клетки создали свою особую внутреннюю среду. Клеточная мембрана Итагг, вопросы о ионном составе внутренней и внешней среды, а также о величине ПП были решены; это косвенно доказывало и существование мембраны. Увидеть мембрану удалось лишь в середине 50-х годов нашего века. Это было сделано с помощью электронного микроскопа е), так как толщина мембраны составляет всего 7 — 15 нм и в световой микроскоп ее увидеть нельзя.

Однако еще до того, как ее непосредственно увидели, сомнения в ее существовании практически исчезли; многочисленные исследования, опирагощиеся на факты из разных областей (осмоса, существования на поверхности клетки слоя с высоким сопротивлением н др.), свидетельствовали, что мембрана существует; более того, к этому времени было известно достаточно много об ее устройстве и свойствах: толщине, электрическом сопротивлении к т.

д. Обычно, говоря о научных предсказанниях, рассказывают об открытии «на кончике пера» планеты Нептун, или о предсказания существования атомов и молекул, или о предсказании Менделеевым химических элементов, которые заполнили оставшиеся пустыми соответствующие клетки его таблицы. Но н в биологии можно найти немало примеров таких научных предсказаний. Например, У. Гарвей, создавая теорию кровообращения, предсказал существование капилляров, но увидеть их смог толь- ') Элелтроккый мпкроскоп был изобретен е 1931 г, М. Кколлем и Э. Руска. 70 ко М. Мальпиги после изобретения микроскопа.

Точно так же клеточная мембрана была йредсказана задолго до появления электронного микроскопа. Очень много сведений о свойствах мембраны дало изучение проникновения разных веществ в клетку. Это особый, весьма увлекательный и весьма запутанный рассказ, который мы не можем тут привести. Но общий вывод из него весьма поучителен. Дело в том, что, как сейчас выяснено, разные вещества попадают в клетку разными способами: одни, растворяясь в жирах мембраны, проникают в клетку прямо через них, другие вещества, котоРые не могут проходить через жиры (например, ионы), проникают через оообые «поры», образованные мембранными белками, третьи — совсем иначе, например, «заглатываясь» клеткой, в которой образуется отшнуровывающийся и уходящий внутрь мембранный пузырек; и ато еще не все способы.

Между тем ученые стараются объяснить некоторое явление (например, проникновение веществ в клетку) с единой точки зрения. Для науки идеалом является, например, теория Максвелла, которая позволила связать воедино электрические, магнитные и оптические явления, описав их основные свойства несколькими уравнениями. Такую же единую теоРию искали и ученые, изучавшие клеточную проницаемость.

Однако, как мы теперь понимаем, в случае клеточной проницаемости такой единой теории просто не существовало. При наличии многих принципиально различных способов проникновения веществ в клетку для каждой теории, претендующей на полное объяснение фактов с единой точки зрения, находился опровергающий ее эксперимент. Мы у>не сталкивались с аналогичной ситуацией; вспомните, как Вольта пытался объяснить с единой точки зрении и контактную разность потенциалов, и работу химических элементов. Так, естественное стремление ученого к созданию единой теории иногда играет роль тормоза в развитии пауки.

Характеристики

Список файлов книги