Воронцов Д.С. Про природу подразливості живих утворень скачать

Воронцов Д.С. - радянський електрофізіолог, народився в УРСР. Займався вивченням біологічних мембран. В 1918 р. став магістром зоології, порівняльної анатомії та фізіології захистивши дисертацію на тему "Аналіз електрокардіограми серця жаби". Пізніше став член-кореспондентом АН УРСР, а з 1957 став відомим як академік АН УРСР. Під його науковим керівництвом вперше на радянському просторі Платон Костюк здійснив внутрішньоклітинне відведення потенціалів від окремих нервових клітин спинного мозку. Академік Воронцов вивчав процеси збудження та гальмування у нервовій системі з електрофізіологічної точки зору. Він довів, що збудливість можна відновити шляхом впливу на неї анода постійного струму. Також, займався явищем повільних електричних коливань в ЦНС. В інституті фізіології ім.Богомольця є спеціальна стипендія на честь академіка Воронцова: "для молодих вчених Інституту та аспірантів, що виконують дослідження у Інституті в області клітинної фізіології, віком включно до 35 років"
Про природу подразливості живих утвореньАвтор:
Книга:

"Про природу подразливості живих утворень"

Жанр: Неврология, биология, Нейробиология, биофизика
Год: 1958
Описание:
Стаття з Фізіологічний журнал академії наук Української РСР, 1958, т. IV, №1
скачать Про природу подразливості живих утворень img

Про природу подразливості живих утворень

Д. С. Воронцов

Під подразливістю розуміють здатність живих утворень приходити в діяльний стан під впливом певних змін зовнішніх умов. Ця найважливіша властивість якнайтісніше зв’язана з обміном речовин як основою життя. Обмін речовин в живому відбувається безперервно і тому безперервно витрачається жива речовина. І щоб вона не вичерпалась, щоб життя не припинилось, необхідно всередину живого вводити зовні такі речовини, які спроможні відшкодувати витрачену речовину і можуть асимілюватись. Але для цього живе має бути здатне сприймати зовнішнє середовище, розрізняти в ньому потрібне для нього від непотрібного, корисне від шкідливого, тобто повинно мати подразливість, інакше воно неминуче загине.

У найнижчих форм живих організмів ми спостерігаємо цю властивість, виражену у формі тропізмів і таксисів. Але в міру розвитку життя й особливо з утворенням багатоклітинних тварин поряд із спеціалізацією різних тканин у виконанні певних функцій відбувається і розвиток подразливості, яка досягає особливо високого ступеня досконалості в нервовій тканині. Певні елементи нервової тканини (рецептори) пристосовуються до сприймання різних властивостей зовнішнього середовища. Одні з них сприймають хімічні зміни середовища, другі - механічні, треті - світлові, четверті - температурні, і кожні досягають у своїй спеціальності надзвичайної чутливості. Сприймання властивостей зовнішнього середовища зводиться до того, що під впливом зміни даної властивості зовнішнього середовища відповідний рецептор приходить у діяльний стан, тобто в стан збудження, яке звідси по нервовому волокну передається в центр. Зовнішній вплив на рецептор, який спеціалізувався щодо нього, називається адекватним подразненням.

Цілком зрозуміло, що збудження рецептора передбачає наявність подразнюючого фактора для зв’язаного з ним нервового волокна. Нервовий імпульс, що виник при цьому в нервовому волокні, несе в собі подразнюючий фактор і для нервових центрів, і для робочих органів, до яких він приходить з нервових центрів, і приводить їх у діяльний стан. Звідси ясно, що нервова тканина спеціалізувалась щодо подразливості в двох напрямах: по-перше, рецептори спеціалізувались у сприйманні зовнішнього середовища, по-друге - вся інша частина нервової тканини спеціалізувалась у сприйманні подразнюючого впливу нервового імпульсу. Ця спеціалізація нервової системи не позбавила інші тканини організму подразливості, а лише обмежила її у тому розумінні, що зробила їх високочутливими до нервових імпульсів і малочутливими до інших видів подразників. Однак нервова тканина разом з високою чутливістю до нервових імпульсів розвинула в собі значну чутливість і до інших видів подразнень - механічних, термічних, деяких хімічних і особливо до електричних подразнень.

І от, саме в зв’язку з своєю високою спеціалізацією щодо подразливості нервова тканина загалом і нерви, зокрема, привертали і продовжують привертати до себе увагу дослідників природи подразливості. В нервовій тканині, у протилежність м’язовій або залозистій тканині подразливість представлена у найбільш чистому вигляді без помітного приєднання інших видів діяльності.

Звичним і часто застосовуваним подразником для нервів є електричний струм. Тому подразливість саме щодо електричного струму досліджена найбільш грунтовно і глибоко. Це не було випадковістю. Уже давно встановлено, що нервове збудження зв’язане з продукцією нервом електричного струму, що самий життєвий стан як нервів, так і інших тканин сполучений з певними електричними властивостями цих тканин (наприклад, розвивати електричний потенціал між їх пошкодженою і нормальною частинами), що проходження електричного струму по нерву і зміна потенціалу нерва супроводжуються значними і закономірними змінами його подразливості: підвищення електричного потенціалу нерва знижує його подразливість, зниження потенціалу спочатку підвищує подразливість, а потім сильно її пригнічує. Різні впливи на нерв, які ведуть до зміни його функціонального стану, змінюють водночас і його електричні властивості. Цілий ряд хімічних речовин при локальній їх дії на нерв пригнічує його подразливість і провідність нервових імпульсів. При цьому одні речовини розвивають у місці їх впливу на нерв негативний електричний потенціал, інші - позитивний. Деякі речовини помітно не змінюють електричного потенціалу нерва, але різко змінюють відношення нерва до електричного струму. Ці факти наводять на думку, що саме електричні властивості нервів тісно пов’язані з їх подразливістю і, можливо, визначають її.

Це припущення легко перевірити експериментально. Відомо, що при проходженні струму по нерву в ньому відбуваються зміни електричного потенціалу: в ділянці входження струму в нерв потенціал підвищується, а в ділянці його виходу - знижується. Отже, застосуванням електричного струму до нерва ми можемо широко змінювати його потенціал. Якщо б зміна функціонального стану нерва під впливом тих чи інших речовин дійсно залежала від зміни його потенціалу, то пропусканням електричного струму через даний нерв ми могли б відновити його потенціал, а разом з тим відновити і функціональний стан нерва, звичайно, якдо наше вихідне припущення правильне. Дослід повністю підтвердив зроблене нами припущення.

На рис. 1 наведена схема цього досліду Д.С. Воронцова [1].

Ділянку нерва нервово-м’язового препарата в середній його частині занурюють у скляночку з досліджуваним розчином. У цей же розчин занурюють і кінчик електрода, через який підводять струм. Другий електрод розташовується на проксимальному кінці нерва. До нерва в середині між цими електродами прикладають пару електродів для подразнення нерва індукційними струмами. М’яз з’єднують з міографом для реєстрації його скорочень. Якщо нерв занурюють у розчин хлористого калію, цезію, рубідію або амонію, то уже через 15-20 хв. дана ділянка нерва перестає проводити імпульси, і подразнення нерва не викликає скорочення м’яза. Але варто тепер замкнути через тенрв постійний струм середньої сили так, щоб струм входив у нерв через досліджуваний розчин (скляночку з’єднують з анодом), як негайно, вже через 0,1-0,2 сек., м’яз починає скорочуватись, тобто провідність зміненої ділянки нерва відновлюється. Провідність ця зберігається до того часу, поки проходить струм.

Що відновну дію розвиває не струм взагалі, а саме його анод, видно з того, що якби ми змінили напрямок струму так, щоб на змінену ділянку діяв катод, то не тільки не домоглися б відновлення функцій нерва, а навпаки, вони були б негайно подавлені, якби ще в якійсь мірі зберігались.

"Про природу подразливості живих утворень"

Слід звернути увагу на те, що нерв весь час залишається в розчині хлористого калію, що відповідний вплив здійснюється не аніоном (хлор), а катіоном (калій), що анод, відштоовхуючи від себе катіони, має сприяти впровадженню їх у нерв і, отже, сприяти посиленню дії калію. В дійсності ж спостерігається протилежне - дія калію усувається.

Про природу подразливості живих утворень

Рис. 1. Схема розташування електродів на нерві (вгорі).Внизу - вплив на паралізовану KCl ділянку нерва анода постійного струму. Верхня лінія - запис скорочення м’яза, середня вказує на подразнення нерва індукційними ударами (Р. Е.). Нижня відмічає замикання постійного струму вказаного напрямку ( - на паралізованій ділянці нерва). Подразнення індукційними струмами само по собі не діє, але під час замикання постійного струму викликає повноцінне скорочення.

Це свідчить про те, шо дія калію обмежується поверхнею нервових волокон, а не зумовлюється глибокими, внутрішніми змінами в нервових волокнах. А оскільки анод постійного струму усуває ці зміни, то ясно, що і дія струму також обмежується поверхнею волокон. Це підтверджується і тим, що відновна дія струму розвивається дуже швидко і так само швидко припиняється після вимкнення струму.

Таку дію, шо відновлює функції нерва, анод розвиває і на ділянку нерва, паралізовану впливом наркотиків і деяких інших речовин. Навпаки, в усіх цих випадках катод навіть дуже слабких струмів, які не подразнюють нормального нерва, швидко паралізує змінену ділянку нерва.

Протилежний вплив робить постійний струм на нерв, підданий дії двовалентних катіонів. Ці катіони впливають на нерв дуже повільно. Ізотонічний розчин хлористого кальцію спричиняє непровідність нерва лише через 2-3 год. його дії, а розчин барію ще пізніше. Але їх дія прискорюється і посилюється анодом. Коли ще не виявились будь-які зміни функції нерва під дією цих катіонів, замикання через нього струму так, щоб на зміненій ділянці був анод, негайно паралізує цю ділянку. Навпаки, прикладання сюди катода відновлює функції нерва, якщо вони були пригнічені двовалентними катіонами. Так само усувається паралізуюча дія на нерв хлоридів цинку, заліза, алюмінію і кислот.

Правда, відновна дія катода відбувається важче, треба більш тонко підбирати силу струму, минає більше часу з моменту замикання струму до моменту відновлення нерва. І все ж ця дія цілком закономірна і незаперечна. Такі досліди були повторені в багатьох лабораторіях нашої країни і за кордоном і дістали певне підтвердження (Маккут [2], Лоренте де Но [3] та ін.).

"Про природу подразливості живих утворень"

Ці досліди досить переконливо показують, що подразливість нерва зв’язана з поверхневими частинами нервових волокон, де, очевидно, відбуваються і ті електричні явища, які так тісно зв’язані з функціями нерва. Та це випливає вже і з самого поняття подразнення як наслідку впливу змін зовнішнього середовища. Зовнішнє середовище насамперед впливає на поверхню живого тіла. Поширення нервового імпульсу по

Про природу подразливості живих утворень

Рис. 2. Схема розташування електродів на нерві (вгорі). Електроди А з’єднані з одним індукційним апаратом, електроди В - з іншим. Заштрихована частина нерва піддається дії KCl або кокаїну. В нижній частині нерва показаний напрямок струмів між незбудженими його частинами і збудженою (зачорнено). Внизу показані скорочення м’яза при подразненні його нерва індукційними ударами від А і Б нарізно (спочатку), а також при сполученні цих індукційних ударів через різні проміжки часу між ними, які відмічені під кривими скорочень в тисячних частках секунди. Зліва удар Б мав висхідний напрямок, справа - низхідний.

нервовому волокну не можна інакше розглядати як результат подразнюючої дії цього імпульсу на суміжні, незбуджені частини волокна.

Чим же і як нервовий імпульс подразнює? Як відомо, досить широко була розповсюджена думка і серед фізіологів, і серед гістологів, і серед невропатологів, що нервовий імпульс поширюється по нейрофібрилах, тобто всередині волокна, а не по його поверхні. Бете [4] наводить ряд дослідів на підтвердження цього припущення. Але разом з тим були давно відомі і факти, які свідчили про участь у проведенні нервових імпульсів електричного струму, струму дії, що, як ми побачимо нижче, створюється не всередині волокна, а на його поверхні.

Якщо поширення нервового імпульсу здійснюється за допомогою електричного струму, то електричним же струмом можна це поширення подавити або, навпаки, посилити. Для перевірки цього мною були організовані такі досліди (Воронцов Д.,-[5]).

В нерві одиничним подразненням викликали нервовий імпульс. По шляху його до м’яза на нервовий імпульс впливали анодом постійного струму так, щоб анод точно потрапив на нервову точку, в якій тільки-но починає розвиватись імпульс. На рис. 2 зображена схема розташування електродів на нерві в цьому досліді. Через електроди А пропускають індукційний удар, який викликає імпульс. Через електроди Б прикладають постійний струм висхідного напрямку, анод якого падає на нервовий імпульс.

І хоч замикання постійного струму викликає скорочення м’яза, тобто подразнює нерв, все ж у такому поєднанні з індукційним ударом, щоб анод постійного струму потрапив на нервовий імпульс, цей імпульс повністю подавляється і м’яз залишається в спокої. Але значно легше цей

"Про природу подразливості живих утворень"

дослід провадиться на нерві, середню частину якого піддають дії наркозу розчинів солей, що альтерують нерв. У цьому випадку гальмування нервового імпульсу легко досягається анодом індукційного струму. Треба тільки, щоб анод індукційного струму припав саме на нервовий імпульс в альтерованій ділянці нерва.

В цьому випадку дослід відбувається так. Через деякий час після початку дії наркотичної речовини, коли провідність наркотизованої ділянки нерва ще не зазнала помітних змін, подразнення А викликає повноцінне скорочення м’яза. Майже таке саме скорочення дає і висхідний індукційний удар в Б. Але якщо ми тепер почнемо прикладати обидва ці подразнення до нерва через різні і дуже короткі проміжки між ними так, щоб раніше було застосоване подразнення А, а після нього - Б, то при певних проміжках між ними, а саме при таких, коли Б діє на альтеровану ділянку в той момент, коли сюди тільки-но прийшов імпульс від А, цей імпульс в різній мірі подавляється. При малих проміжках подавления буває неповним, при деяких середніх проміжках імпульс подавляється повністю, і тому не відбувається ніякого скорочення м’яза, хоч до нерва прикладені два діючих нарізно подразнення. При дальшому збільшенні проміжка гальмівна дія анода слабшає і, нарешті, зовсім припиняється. Час, протягом якого анод розвиває гальмівний вплив на нервовий імпульс, дорівнює тому періоду часу, протягом якого імпульс з альтерованій ділянці наростає. Розвиток нервового імпульсу супроводжується розвитком у цьому ж місці нерва негативного електричного потенціалу. Але коли ми нейтралізуємо цей потенціал позитивним потенціалом індукційного або постійного струму, ми разом з тим подавляємо і нервовий імпульс.

Навпаки, коли нервовий імпульс в альтерованій ділянці нерва дуже ослаблений, то його легко можна посилити, впливаючи на нього катодом індукційного струму. Цей вплив катода особливо демонстративний тоді, коли альтерація заходить дуже далеко, і нервовий імпульс уже неспроможний пройти через цю ділянку. Тоді, поєднуючи подразнення А, яке тепер не впливає на м’яз, із слабким допороговим індукційним ударом низхідного напрямку в Б (катод на альтерованій ділянці), ми домагаємось скорочень м’яза. Ці скорочення при дуже коротких проміжках між подразненнями малі, при збільшенні проміжків вони посилюються; потім вони починають зменшуватись і при таких проміжках, тривалість яких перевищує тривалість часу розвитку імпульсу в альтерованій ділянці нерва, зовсім припиняються.

У прикладі на рис. 2, взятому з досліду над тим самим нервом, видно, що при тих же інтервалах, при яких анод найкраще викликав гальмування, допороговий катод викликає найбільш сильні скорочення. Отже, катод, негативний потенціал струму, збігаючись у часі з негативним потенціалом нервового імпульсу, збільшує цей потенціал і разом з тим посилює самий імпульс, який тепер виходить з альтерованої ділянки, досягає м’яза і приводить його в стан скорочення.

Таким чином, з проведених дослідів видно, що подразнююча дія нервового імпульсу, отже, і його поширення зв’язані з тими частинами нервового волокна, на яких розвивається електричний потенціал і на які впливає зовнішній електричний струм.

Де ж розташовані ці частини волокна і які їх властивості?

Ще в минулому столітті ботаніки М. Траубе, Пфефер, де Фріз показали, що жива протоплазма рослинних клітин непроникна для великої кількості речовин, але легко проникна для води. На початку нашого століття це було показано і щодо тваринних клітин (щодо м’язів - Овертон, еритроцитів - Гамбургер).

У 1912 р. Бернштейн висловив припущення, що кожна жива клітина а також нервові і м’язові волокна зовні оточені особливою протоплазі матичною мембраною, яка настільки тонка, що її не можна бачити навіть при дуже сильних збільшеннях. Ця мембрана добре проникна для води, але не проникна для цілого ряду молекул і іонів, в тому числі і таких, які є в організмі. Всередині клітин деякі солі, наприклад K2HPO4, містяться в значно більшій концентрації, ніж зовні, і тому прагнуть вийти з клітини шляхом дифузії. Зазначена мембрана, на думку Бернштейна, проникна для К+, але не проникна для HPO4-. Тому К+ проходить через неї, але вдержується електростатично HPO4-. В результаті цього мембрана виявляється зарядженою електрично: зовні іони К надають їй позитивного потенціалу, а внутрішня її поверхня заряджається негативно іонами HPO4-.

Отже, мембрана весь час заряджена, але цей заряд назовні не виявляється, поки мебрана залишається напівпроникною, бо всі точки її зовнішньої поверхні мають однаковий потенціал. Але як тільки мембрана стане в будь-якій своїй частині проникною, наприклад, при її пошкодженні або при збудженні, ця її частина негайно стає негативною по відношенню до інших її частин. При подразненні ця мембрана, на думку Бернштейна, стає тимчасово проникною і в силу цього її подразнена частина набуває негативного потенціалу. Тоді у зовнішньому середовищі волокна виникає струм від незбуджених частин до збудженої, струм дії. Електрорушійною силою цього струму є потенціал мембрани.

Ця теорія досить добре пояснювала чимало явищ з електрофізіології (струм спокою, струми дії, електротон). Однак прямих доказів на користь цієї теорії не було. Тому деякі фізіологи додержувались іншої точки зору, а саме, що при пошкодженні потенціал виникає між відмираючою частиною протоплазми і живою, або між збудженою і спокійною (Герман, Чаговець, Бойтнер, Насонов). Потрібні були нові факти, які б внесли ясність у це питання. І такі факти були одержані зовсім недавно.

Виявилось, що у головоногого молюска Кальмара (Лоліго) в мантії містяться нервові волокна, діаметр яких досягає одного міліметра. Спочатку Кертіс і Кол [6], а потім Годжкін [7] та інші скористались з цих волокон, шоб визначити, де ж у них розташована електрорушійна сила і яка її величина. Для цього вони вводили всередину гігантського волокна тонкий електрод, а другий прикладали до зовнішньої поверхні волокна та вимірювали різницю потенціалів між зовнішньою поверхнею і внутрішнім вмістом. Ця різниця становила 50 мв і в деяких випадках могла досягати навіть 150 мв. Що ця різниця не зумовлювалась пошкодженням волокна, а являла собою потенціал поверхневої мембрани волокна, видно з того, що введення електрода всередину волокна з пошкодженого кінця спочатку дає невеликий потенціал, який швидко збільшується при заглибленні електрода до 7 мм. Дальше ж заглиблення електрода вже не змінює цього потенціалу. Величина цього електричного потенціалу не залежить і від положення електрода всередині волокна - чи знаходитиметься він у центрі волокна, чи наближатиметься до його поверхні, - потенціал завжди залишається однаковим. Це свідчить про те, що цей потенціал знаходиться на поверхні волокна або поблизу неї.

Якщо тепер, при такому відведенні, подразнювати це волокно, то спостерігається цілком несподіваний з точки зору мембранної теорії результат. У відповідь на подразнення виникає струм дії, величина якого значно перевищує мембранний потенціал. Згідно з мембранною теорією, струм дії це є розряд мембранного потенціалу, а тому напруга струму дії має дорівнювати напрузі мембрани. А тут виявилось, що напруга

"Про природу подразливості живих утворень"

струму дії майже вдвоє більша за напругу на мембрані. Відбувається не тільки розряд мебрани, а й короткочасне її перезарядження в протилежному напрямку (рис. 3).

Цей факт викликав велике збентеження серед електрофізіологів, деякі з них стали говорити про кризу мебранної теорії. Але в 1949 р.

Про природу подразливості живих утворень

Рис. 3. Схема досліду з гігантським нервовим волокном Кальмара (зліва). Волокно нав’язане на канюлю і в всередину його введено один відвідний електрод. Другий електрод введений у рідину (морська вода), яка оточує волокно. Обидва електроди з’єднані через посилювач з осцилографом. Справа - струми дії цього волокна при зазначеному відведенні. 1 - струм дії в нормальній морській воді, 2 - після видалення натрію з води, 3 - після перенесення волокна знову у нормальну морську воду. Шкала вказує напругу в мілівольтах. Вниз від 0 - зовні волокна позитивний потенціал, всередині - негативний; вгорі - навпаки.

Годжкін і Кац [8] висловили припущення, що причиною такої зміни потенціалу в струмі дії може бути хлористий натрій. Концентрація цієї солі зовні нервового волокна (в морській воді) велика, значно більша, ніж всередині волокна, і волокно в спокійному стані для іонів цієї солі непроникне, тому ця сіль і не бере участі в створенні потенціалу мембрани. Але при збудженні волокна проникність мембрани збільшується.

А чи не може збільшення проникності мембрани досягти такого ступеня, що іони натрію стануть вільно проходити крізь мембрану всередину волокна, тоді як для іонів хлору мембрана залишиться непроникною? Якби справа відбувалась саме так, то це мало б привести до перезарядження мембрани. Іони натрію, проникнувши всередину волокна, принесли б туди і свій позитивний потенціал, і тоді мембрана перезарядилася б. Збільшення її проникності для HPO4- зняло б її заряд, а проникнення іонів натрію всередину зарядило б її позитивно з внутрішнього боку. При правильності цього припущення треба було чекати, що зменшення кількості хлористого натрію зовні волокна має ослабити зазначене порушення мембранного потенціалу при подразненні, а коли концентрація цієї солі зовні стане рівною її концентрації всередині волокна, тоді це викривлення мембранного потенціалу зовсім не відбуватиметься. І справді, дослід повністю підтвердив це припущення.

На рис. 4 показано, як відводилось гігантське волокно Кальмара і які були струми дії при нормальному складі морської води зовні волокна (крива 1), як змінився струм дії при зменшенні концентрації хлористого натрію зовні (крива 2) і як струм дії досяг своєї попередньої величини, коли волокно було знову вміщене в морську воду (крива 3).

Отже, ці досліди ясно показують, що на поверхні нервового волокна є напівпроникна мембрана, яка своєю напівпроникністю підтримує різницю концентрації солей між зовнішнім і внутрішнім середовищами мембрани і завдяки цьому створюється електричний потенціал на мембрані.

Про природу подразливості живих утворень

Рис. 4. Схема досліду з гігантським нервовим волокном (зліва). Всередину волокна введено скляну паличку, на яку намотані дві дротинки: одна, тонка, служить для створення певної електричної напруги на мембрані волокна; друга, товстіша, - для вимірювання струму, що проходить через мембрану. Волокно оточене циліндричним, електродом, з’єднаним з гальванометром (де стрілка) і з джерелом напруги. Справа - криві, що відображають проходження струму через мембрану волокна при різних напругах на ній. Підйом кривої вгору вказує на проходження струму зовні всередину волокна. Коли задають позитивний потенціал зовні волокна, струм через мембрану не проходить (+42 мв). Коли ж задають зовні волокна негативний потенціал, то при потенціалах до -70 мв спочатку струм все ж іде всередину волокна, тобто проти заданої різниці потенціалів, а потім тече зсередини назовні. При -70 мв і більше цей рух всередину пригнічується. Стовпець А - при нормальній морській воді навколо волокна; стовпець В - після видалення натрію з води; стовпець С - після перенесення волокна знову в нормальну морську воду.

При подразненні проникність мембрани збільшується, що веде до виходу іонів калію і НРО4 з волокна назовні і входу іонів натрію всередину волокна.

Цілком зрозуміло, що якби справа обмежувалась тільки цими змінами, то нервове волокно не було б спроможне довго функціонувати. При повторенні подразнень К2НРО4 вийшов би з волокна назовні, а натрій нагромадився б всередині волокна, мембрана розрядилася б і разом з тим зник би фактор, який зумовлює поширення нервового імпульсу і навіть його виникнення. А між тим добре відомо, що ізольований нерв можна безперервно подразнювати протягом багатьох годин (Введенський провадив такі подразнення протягом 8-9 год., а Бек - 18 год.) без явних ознак стомлення. Отже, в нервовому волокні є ще якісь механізми, які все ж таки підтримують постійну різницю концентрацій солей між зовнішнім і внутрішнім середовищами волокна, чого можна досягти тим, що натрій, який при подразнюванні увійшов всередину волокна, дуже швидко виштовхується з нього, а калій, який при подразненні вийшов з волокна назовні, потім вводиться всередину. Ці пересування зазначених іонів можуть провадитись лише при витрачанні енергії, бо вони відбуваються проти градієнта концентрації.

"Про природу подразливості живих утворень"

Для з’ясування цього питання Годжкін, Гекслі і Кац [9] організували такий дуже тонкий і дотепний дослід. Вони вводили всередину гігантського нервового волокна Кальмара два ізольованих один від одного тоненьких електроди у вигляді спіральних дротинок. Зовні волокна поміщали третій електрод циліндричної форми, який оточує волокно з усіх боків, як це показано на рис. 4.

Через один з внутрішніх електродів і через зовнішній задавали певну різницю потенціалів на мембрані волокна. Другий же внутрішній електрод з’єднували із зовнішнім через прилад для вимірювання струму. Коли задавали таку різницю потенціалів, що зовні волокна був позитивний потенціал, а всередині - негативний, то це не викликало ніякого руху електричної енергії крізь мембрану, гальванометр навіть при великих різницях потенціалів залишався в стані спокою. Але коли задавали протилежну різницю потенціалів, коли позитивний потенціал прикладали до внутрішньої поверхні мембрани, а негативний - зовні, тоді при певній величині цього потенціалу (близько 15-20 мв) відбувалось подразнення волокна, а разом з тим гальванометр показував рух струму, тобто рух позитивної електрики спочатку іззовні всередину, проти різниці прикладених потенціалів, а потім, через короткий час (1-1,5 мсек), струм змінював свій напрямок і йшов зсередини назовні. Коли ж ця різниця потенціалів збільшувалась, то рух струму іззовні всередину дедалі слабшав і при деякій, досить значній, різниці (-70 мв) зовсім подавлявся. Відбувалось лише пересування позитивної електрики зсередини назовні, тобто відповідно до різниці потенціалів.

Яка ж сила штовхає позитивні іони зовні всередину проти різниці потенціалів? Не підлягає сумніву, що такою силою є різниця концентрацій натрію між зовнішнім і внутрішнім середовищами волокна. Розрахунки показали, що рух позитивних іонів зовні всередину при подразнюванні припиняється лише тоді, коли на мембрані буде заданий потенціал (позитивний всередині), рівний дифузійній напрузі хлористого натрію зовні волокна.

Отже, при подразнюванні натрій спрямовується всередину волокна з силою, рівною його дифузійній напрузі, в зв’язку з усуненням перешкоди, яка раніше удержувала від цього, тобто завдяки збільшенню проникності мембрани. Але негайно після цього в дію вступає механізм, який ці автори назвали "натронною помпою" і який виштовхує натрій зсередини назовні проти градієнта його концентрації. Одночасно з цим вступає в дію і інший механізм, який вводить калій, що вийшов зсередини назовні при подразненні, знову всередину волокна.

Ці результати були перевірені і підтверджені Кейнсом методом мічених атомів на скелетному м’язі.

М’яз поміщали в розчин, що містить мічений натрій, піддавали подразненню і потім визначали кількість міченого натрію, що ввійшов всередину м’язових волокон. Потім м’яз переносили в звичайний розчин Рінгера і визначали швидкість виведення міченого натрію з м’язових волокон.

Те саме робили і з міченим калієм. М’яз попередньо витримували протягом тривалого часу в розчині, що містить мічений калій. Потім м’яз переносили в розчин Рінгера, де піддавали подразненню, і вимірювали швидкість виходу міченого калію з нього і повернення його після припинення подразнення.

Ці дві групи досліджень (Годжкіна і Гекслі [7]; Кейнса [10]) не тільки виявили зазначене пересування іонів крізь мембрану при подразнюванні і після нього, а й дозволили визначити кількість іонів, що пересуваються в той чи інший бік при одиничному нервовому імпульсі.

Останнім часом Годжкін і Гекслі дослідили залежність цього пересування іонів крізь мембрану від обміну речовин у нервовому волокні. Для цього вони застосували отруєння волокна динітрофенолом або ціаністим натрієм, тобто речовинами, що, як відомо, різко пригнічують обмін речовин. Після цього подразнення нервового волокна викликає струм дії, що супроводжується входженням натрію всередину і виходом калію назовні, але виведення натрію назовні, тобто дії натронної помпи, не відбувається так само, як не відбувається і зворотного введення калію всередину волокна. При повторенні подразнень швидко вирівнюються концентрації натрію і калію у зовнішньому середовищі і внутрішньому вмісті волокна, а разом з тим зникають потенціал мембрани і подразливість волокна.

Про природу подразливості живих утворень

Рис. 5. Схема досліду з внутріклітинним відведенням потенціалу м’язового волокна з допомогою мікроелектрода. М’яз фіксований шпильками до дна посудини з розчином Рінгера. Зверху в одне з його волокон вводять мікроелектрод. Другий електрод - індиферентний - занурюють у розчин Рінгера. Обидва електроди з’єднані через посилювач постійного струму з осцилографом. Справа показано відхилення променя (вниз) в момент введення мікроелектрода всередину волокна. При одиничному подразненні нерва з’являється струм дії, вершина якого значно перевищує нульову лінію (0).

В основному всі ці дані здобуто на гігантському волокні Кальмара, і тому вони можуть мати значення тільки для цього волокна і не можуть бути узагальнені для всіх збуджуваних утворень. Але в 1949 р. Джерард і його співробітники [12] розробили метод, що дозволяє відводити потенціали зсередини і зовні у будь-яких клітин.

Для цієї мети з тоненької скляної трубочки витягують дуже тонку піпетку, гострий кінець якої має діаметр менше від одного мікрона. Цю піпеточку наповнюють міцним розчином хлористого калію, кінчик її за допомогою мікроманіпулятора вводять всередину м’язового волокна цільного м’яза (рис. 5). М’яз поміщають у розчин Рінгера. Зазначена мікропіпетка є одним відвідним електродом (внутріклітинним), другий електрод поміщають у розчин Рінгера туди, де знаходиться м’яз. Відвідні електроди через посилювач постійного струму з’єднують з осцилографом.

При введенні мікроелектрода всередину волокна, що контролюється за допомогою бінокулярного мікроскопа, видно, що як тільки мікроелектрод своїм вістрям проколе зовнішній шар м’язового волокна, промінь осцилографа миттю відхиляється. Напрямок і величина цього відхилення вказують, що мікроелектрод дістав при цьому негативний потенціал, величина якого досягає 60-90 мв. Дальше заглиблення мікроелектрода всередину волокна не змінює цього потенціалу, але якщо кінчик мікроелектрода протне усе волокно і вийде з нього з протилежного боку, тоді цей потенціал зникає так само швидко, як він і виник. Якщо

"Про природу подразливості живих утворень"

мікроелектрод досить тонкий і діаметр його, наприклад, менше від 0,5 мікрона, то при виведенні його з волокна потенціал зникає в момент виходу вістря з саркоплазми, і ніякого потенціалу не спостерігається, коли вістря мікроелектрода знаходиться біля самої поверхні волокна, над тією точкою, через яку мікроелектрод увійшов і вийшов з волокна.

Отже, мікроелектрод не заподіяв ніякого пошкодження волокну, бо в противному випадку пошкоджена частина мала б негативний потенціал і ми спостерігали б струм спокою. Значить, при введенні мікроелектрода всередину волокна ми справді спостерігали мембранний потенціал, а не потенціал пошкодження.

Якщо після введення мікроелектрода всередину м’язового волокна привести його в стан збудження, то виникає струм дії, який має такі самі властивості, як і струм дії гігантського нервового волокна Кальмара при відведенні зсередини та зовні, тобто величина струму дії переважає величину мембранного потенціалу, криви струму дії не тільки досягає нульового положення, а й переходить у протилежний бік на 30-40 мВ.

На рис. 5 наведена схема досліду з відведенням струму дії зсередини м’язового волокна і показано, як відхиляється промінь осцилографа в момент введення електрода всередину волокна (відхилення вниз) і як пересувається струм дії при подразнюванні цього волокна.

Цей метод внутріклітинного відведення швидко набув великого поширення. В нашій країні його вперше опанував і застосував для досліджень П. Г. Костюк в Інституті фізіології при Київському університеті. Цим методом були досліджені скелетний, серцевий і гладкі м’язи, нервові клітини спинного мозку, кори великих півкуль, сітчатки ока, нервові волокна жаби тощо. В усіх досліджених клітинах на їх поверхні (на мембрані) є електричний потенціал порядку 40-90 мВ з позитивним знаком зовні мембрани і негативним всередині. При подразненні цих клітин виникає однофазний струм дії, потенціал якого перевищує мембранний потенціал. Отже, принцип побудови поверхневого апарата клітини, за допомогою якого здійснюються взаємовідношення клітини із зовнішнім середовищем, є однаковим у всіх досліджених до цього часу клітин. За таким самим принципом побудовано цей апарат і у рослинних клітин, як це показали Остергаут і його співробітники. Штучна зміна потенціалу клітинної мембрани змінює подразливість так само, як вона змінюється і у нервів при пропусканні через них постійного електричного струму, тобто збільшення мембранного потенціалу зменшує подразливість, а зменшення його спочатку підвищує подразливість, а при значному зниженні потенціалу повністю її пригнічує.

Усі наведені вище факти свідчать про те, що момент подразнення полягає головним чином у збільшенні проникності мембрани. Негативний же потенціал подразненої частини нервового або м’язового волокна виникає вторинно, як наслідок збільшеної проникності мембрани. Тому подразнення здійснюється не тільки електричним струмом, а й механічним, тепловим, хімічним способом. Слід визнати, що подразнюють усі фактори, здатні швидко збільшити проникність протоплазматичної мембрани. Електричний струм подразнює там, де він виходить з клітини, тобто своїм катодом, тому що катод збільшує проникність. Навпаки, анод розвиває пригнічуючий вплив на подразливість, бо він ущільнює мембрану, робить її більш стійкою. Різні хімічні речовини по-різному впливають на мембранну, отже, і на подразливість. Одні, як одновалентні катіони, збільшують проникність і тому негативують мембрану і підвищують подразливість. Дія цих речовин, як ми бачили, усувається анодом постійного струму, який ущільнює мембрану і цим нейтралізує дію цих речовин.

Інші речовини, як двовалентні і тривалентні катіони, ущільнюють мембрану, стабілізують її, внаслідок чого знижується і подразливість. Дія цих речовин усувається катодом, який, розпушуючи мембрану, нейтралізує їх вплив. Механічне подразнення розтягує мембрану і тим самим підвищує її проникність. Так само діє і підвищення температури.

Отже зміну проникності мембрани треба визнати первинним фактором у процесі подразнення. Електричний потенціал мембрани відіграє важливу роль у поширенні подразнення, тобто імпульсу. Було б цікаво з цієї точки зору піддати аналізу такі явища, як парабіоз за Введенським і наркоз, при яких подразливість подавляється, але потенціал мембрани може не зазнати змін. А між тим ці явища усуваються впливом аноду на ті частини нерва, які перебувають у цих станах.

Отже, треба визнати, що подразливість живих утворень здійснюється за допомогою спеціального апарата, розташованого на поверхні збуджуваних утворень. Цей апарат представлений протоплазматичною мембраною, яка несе на собі певний електричний потенціал. Величина цього потенціалу визначає ступінь подразливості даного утворення. Цей апарат якнайтісніше зв’язаний з усією протоплазмою та її обміном речовин, чим і визначається його активність, яка полягає у підтриманні його в стані готовності до сприймання зовнішнього середовища, у швидкому його відновленні при подразненні, у пристосуванні його до змін середовища (адаптація), що відбуваються повільно і тривають довго.

Тому ми маємо всі підстави розглядати його як спеціальний апарат подразливості, як орган клітини для здійснення її взаємовідношень із зовнішнім середовищем, як подразнювальний апарат.

Але цей апарат втратив би будь-яку цінність для збуджуваного утворення, як би він не був тісно зв’язаний з усією фізіологічною системою клітини, зокрема з її робочим органом.

Еволюція нервової тканими розвивалась по шляху удосконалювання подразнювального апарата і редукції робочого апарата. Ми не знаємо, які інші функції виконує нервова система, крім тих, що основані на її подразливості. Щождо інших тканин і особливо м’язової та залозистої, то тут ми маємо певні робочі органи - скоротливий у м’язах і секреторний у залозах. У м’язі його робочий орган представлений міофібрилами, які залягають у глибині саркоплазми і зв’язані з подразнювальним апаратом через саркоплазму. Роздільність цих апаратів видна з того, що ми можемо легко подавити скоротливий апарат (наприклад, сапоніном), залишивши без зміни подразнювальний апарат, і навпаки. Але незважаючи на свою роздільність, ці апарати перебувають у тісному функціональному зв’язку. Правда, механізм цього зв’язку досі ще залишається невідомим.

Невідомий також і механізм зв’язку подразнювального апарата залозистої клітини з її робочим апаратом. Ми знаємо, що залозиста клітина так само, як і м’язова, при її збудженні через нерв спочатку продукує електричний струм, струм дії, який так само, як і в м’язі, передує діяльності робочого апарата і є виразом діяльності подразнювального апарата.

Але яким чином подразнювальний апарат залозистої клітини приводить у дію її робочий апарат, - це залишається зовсім темним. Між тим з’ясування зв’язку подразнювального апарата з усією системою живої клітини та з її робочим органом відкрило б широкі перспективи в оволодінні клітиною і підпорядкуванні її нашим вимогам та озброїло б нас умінням керувати її діяльністю.

Останнім часом застосування електронного мікроскопа дозволило побачити мембрану нервових клітин і розташованих на ній нервових закінчень, виявити та виміряти ширину щілини, яка відділяє нервове закінчення від мембрани тіла нейрона (200 А) і виміряти товщину протоплазматичної мембрани (50 А) (див. Eccles, "Physiology of Nerve Celles", 1967). Отже, тепер мембрана переходить з галузі гіпотези в галузь реальної дійсності і стає об’єктом безпосереднього дослідження.

ЛІТЕРАТУРА

1. Воронцов Д. C., Русск. физиол. журн., т. VII, 1924, с. 79; Pfluger's Archiv, 203, 300, 1924; 207, 279, 1925 ; 210, 672, 1925; 216, 32, 1927.
2. Мaсkuth E., Pflüger’s Archiv, 214, 612, 1926.
3. Lorente de No R., A Study of Nerve Physiology, The Rockefeller Institute for Medical Research, 1947.
4. Вethe A., Allgemeine Physiologie und Anatomie des Nervensystems, Leipzig, 1903.
5. Wоrоnzov D. S., Pflüger’s Archiv, 218, 148, 1927; 218, 716, 1928; 221, 775, 1929; 222, 159, 1929; 224, 80, 1930.
6. Curtis H. a. Cole K., Journ. Cell. a. Compar. Physiology, 15, 147, 1940.
7. Hodgkin A. a. Huxley A., Journ. Physiol., 104, 176, 1945.
8. Hodgkin A. a. Katz B., Journ. Physiol., 108, 37, 1949.
9. Hodgkin A., Huxley A. a. Katz B., Journ. Physiol., 116, 424-506, 1952.
10. Keynes R. D., The Role of Electrolyte in Excitable Tissues; Rio de Janeiro, 1951.
11. Hodgkin A. a. Keynes R., Journ. Physiol., 128, 28, 1955.
12. Gerard R. a. Lіng G., Journ. Cell, a Compar. Physiol., vol. 34, 383-413, 1949.
13. Eccles J. C., The Physiology of Nerve Celles, Baltimore, 1957.

Інститут фізіології ім. О. О. Богомольця Академії наук УРСР, лабораторія електрофізіології.

О том, как читать книги в форматах ePub, fb2, mobi, rtf, html, plain text, PDF, djvu, doc, docx, rtf, txt,... - см. раздел Необходимые программы

Самые скачиваемые у нас книги:

Английский Клуб Домашнее чтение
Английский Клуб Домашнее чтение
English Grammar in Use
English Grammar in Use
Рыбацкие пословицы
Рыбацкие пословицы
Вероника Рот
Вероника Рот
Пелевин Виктор
Пелевин Виктор
Upstream
Upstream
New Opportunities
New Opportunities
Голицынский
Голицынский
Кетро Марта
Кетро Марта
Ной Гордон
Ной Гордон
Борис Акунин
Борис Акунин
Николас Спаркс
Николас Спаркс
Айн Рэнд
Айн Рэнд
Джеймс Эрика
Джеймс Эрика
Захар Прилепин
Захар Прилепин
Марк Гоулстон
Марк Гоулстон
Сильвия Дэй
Сильвия Дэй
Алекс Лесли
Алекс Лесли
Рубина Дина
Рубина Дина
Джоджо Мойес
Джоджо Мойес