Но какое же конкретное вещество создает потенциал повреждения?
Как видно из формулы, желательно, чтобы анионы и катионы вещества имели разную подвижность, а также, чтобы его концентрация в месте разреза сильно отличалась от концентрации в неповрежденном участке. Чаговец решил, что это вещество -- угольная кислота. Он рассуждал так: разрез, как всякое раздражение, усиливает обмен веществ, а значит и выделение С02. На основании данных, полученных еще Л. Германом, Чаговец принял, что концентрация угольной кислоты в месте разреза увеличивается в 6,5 раз. Разность скоростей ионов Н+ и СОз_ давала для первого сомножителя формулы значение 0,8. Чаговец произвел расчет потенциала повреждения мышцы при комнатной температуре, получилось примерно 35 мВ. На самом деле потенциал повреждения мышцы составлял 50--60 мВ. Разница была не слишком велика, но все же вполне ощутима.
Работа Чаговца под названием «О применении теории диссоциации Аррениуса к электрическим явлениям на живых тканях» вышла в 1896 г., а на следующий год ее краткое изложение было опубликовано в «Журнале физической химии» Оствальда. В своей работе Чаговец пытался объяснить расхождение результатов расчета с экспериментом тем, что концентрация угольной кислоты при разрезе может быть выше, чем при утомлении мышцы. Но это предположение было опровергнуто прямыми экспериментами: например, нейтрализация угольной кислоты щелочью практически не меняет потенциала повреждения.
Чаговец остановил свое внимание на угольной кислоте не только потому, что знал о возникновении разности ее концентрации при работе мышцы, а еще и потому, что при ее диссоциации возникает ион водорода -- самый быстрый из всех ионов. Скорости наиболее распространенных ионов примерно одинаковы, так что первый сомножитель в формуле для них вместо 0,8 будет 0,01--0,2, и в результате получатся значения разности потенциалов,, еще более далекие от реальных. Придумывать же какие-то фантастические ионы было совсем не в духе Чаговца. На первый взгляд, идея диффузии ионов как основы биопотенциалов зашла в тупик. Однако, хотя конкретный вариант теории биопотенциалов, предложенный Чаговцем, оказался ошибочным, основная идея Чаговца оказалась совершенно верной; Чаговец был очень близок к решению загадки.
Загадка решена
Еще в 1890 г. Вильгельм Оствальд, который продолжал заниматься полупроницаемыми искусственными пленками, предположил, что полупроницаемость может вызывать не только осмос, но и электрические явления. Осмос возникает тогда, когда пленка пропускает маленькие молекулы воды1 но не пропускает большие молекулы сахара. Но ведь и ионы могут иметь разные размеры! Тогда мембрана будет пропускать ионы только одного знака, например, положительные. Оствальд прямо показал, что на искусственных мембранах могут возникать заметно большие разности потенциалов, чем при свободной диффузии ионов на границе растворов с разной концентрацией. И не требуется быстрый ион водорода: годится любой ион, который умеет проходить через мембрану и имеет разные концентрации по разные ее стороны.
Действительно, если посмотреть на формулу и предположить, что мембрана для анионов непроницаема, т. е. V = 0, то можно видеть, что должны получаться большие значения для диффузионного потенциала:
Таким образом, Оствальд объединил формулу Нернста и знания о полупроницаемых мембранах. Он предположил, что свойствами такой мембраны объясняются потенциалы мышц и нервов и удивительное действие электрических органов рыб.
Эта идея Оствальда, как ни странно, прошла мимо биологов, хотя члены самой передовой тогда школы физиологов -- школы Дюбуа-Реймона -- были заняты спором как раз о той проблеме, путь к решению которой дал Оствальд. А может быть, именно спор помешал воспринять эту идею: Герман1 как автор гипотезы повреждения, не думал о мембране, а Бернштейн, возглавивший сторонников гипотезы предсуществования, не думал о ионах. К тому же и Герман,; и Бернштейн были уже не молоды: и тому и другому перевалило за 50,; возраст9 когда нелегко воспринимать новые идеи.
И все же для Бернштейна это оказалось возможным. Он оценил идею Оствальда, и, может быть, немалую роль в этом сыграло то, что в самом главном мембранная гипотеза была очень в духе школы Дюбуа, никакой таинственной «жизненной силы», никаких сложных неизвестных свойств клетки или протоплазмы! все, что она требует,-- это мембраны и электролиты. Решающий шаг, который пришлось сделать Бернштейну, состоял в том, чтобы объяснить электрические свойства мышц и нервов не устройством этих органов в целом, а свойствами клеток, из которых состоят все ткани я органы. Наконец-то был прямо указан «виновник», создающий «животное электричество»,-- клеточная мембрана, а «оружие» -- перенос ионов. Таким образом, в гипотезе Бернштейна объединяются электрохимия и клеточная теория.
Ю. Бернштейн считается основателем, так называемой мембранной теории биопотенциалов. Его первая статья по мембранной теории вышла в 1902 г. Начинался новый век в электробиологии.
Мембранная теория
Давайте же посмотрим, сначала чисто качественно, как объясняется этой теорией возникновение биопотенциалов.
Что было важно для Бернштейна в строении органов и клеток? Мышца или нерв состоят из клеток, окруженных межклеточной жидкостью. Каждая клетка представляет собой мешочек или пузырек, покрытый оболочкой и содержащий жидкость другого состава.
Оболочка клетки -- это и есть мембрана. Она отделяет клетки не друг от друга, а внутреннюю среду клетки от внешней межклеточной среды.
Пусть теперь внутри клетки имеется много свободных ионов какого-то элемента, например калия, а снаружи таких ионов нет или их гораздо меньше. Пусть клеточная мембрана пропускает только ионы К+ и не пропускает никаких других ионов. Тогда ионы К+ начнут выходить из клетки, где их много, наружу. Вместе с ними будет выноситься наружу их положительный заряд. Внутрь через мембрану будет проходить мало ионов, так как снаружи мало калия. В результате на клеточной мембране будет возникать разность потенциалов: снаружи клетки -- «плюс», а внутри -- «минус». Эта разность потенциалов будет тормозить движение новых положительных заряженных ионов калия наружу, и увеличивать поток этих ионов внутрь. Когда потоки ионов наружу и внутрь сравняются, установится динамическое равновесие и на мембране будет поддерживаться постоянная разность потенциалов. Это и есть потенциал покоя. Его величина описывается формулой Нернста.
Чтобы вывести эту формулу, воспользуемся тем, что согласно теории растворов Вант-Гоффа переход ионов из раствора с большей концентрацией С2 в раствор с меньшей концентрацией Сх представляет собой как бы расширение «ионного газа»: если в растворе с концентрацией С2 некоторое количество ионов занимает объем V2, то в растворе с концентрацией Сг они займут объем Vlt причем C1V1= СгУг. При этом меняется внутренняя анергия ионного газа, которая и переходит в потенциальную энергию зарядов, равную qE, где q -- заряд, а Е -- возникшая разность потенциалов.
Так как изменение внутренней энергии газа определяется только его начальным и конечным состояниями и не зависит от того, каким способом произошел переход из одного состояния в другое, попробуем найти изменение энергии в самом простом случае -- когда при расширении газа совершается механическая работа.
Пусть у нас есть цилиндр с газом, закрытый поршнем, и пусть газ, расширяясь, движет поршень, совершая работу, равную произведению силы на путь: А = FI. Сила равна произведению давления газа на площадь поршня, т. е. А = PSI. Но произведение площади на перемещение есть изменение объема газа. Следовательно, изменение энергии газа при расширении определяется формулой AW=PаV.
Если бы давление Р при расширении, т. е. при изменении объема, не менялось, то работа была бы равна произведению Р, т. е. площади прямоугольника ABCD. Но из уравнения газового состояния RT = PV следует, что с увеличением объема давление падает по закону Р = ЯТ/У. Значит, при постоянной температуре Т работа расширения одного моля газа от Уг до У2 равна площади криволинейной трапеции под гиперболой и может быть вычислена по формуле
А так как концентрация газа обратно пропорциональна объему, то У2 = сУС2 и А = ИТ 1п.
Итак, если при расширении ионного газа его концентрация изменилась от Сг до С2, то внутренняя энергия этого газа меняется
Работа расширения газа при постоянном давлении Рх равна площади прямоугольника с вершинами I, II, III, IV, т. е А=Р1{У2--У1). Работа при переменном давлении Р = ВТ'IV равна площади криволинейной трапеции. т. е.
на величину А И7 = ЯТ на каждый моль. Но, с другой стороны, каждый моль одновалентного иона переносит заряд, равный -- числу Фарадея. Отсюда и получаем, что ВТ 1п = ЕР и окончательно. Таким образом, мы получили формулу Нернста, и вы теперь понимаете, откуда в этой формуле появилась газовая постоянная.
Нам очень хотелось, чтобы, взглянув на формулу Нернста, вы не просто поняли ее смысл, но и увидели, какой труд за ней стоит. Это труд ботаников, измеривших осмотическое давление; физиков, выяснивших законы электричества, пополнивших науку понятиями заряда и разности потенциалов, открывших законы электролиза и газовые законы; химиков, создавших теорию растворов и электролитической диссоциации; математиков, труды которых позволили Ньютону и Лейбницу создать дифференциальное и интегральное исчисление. О некоторых из этих работ мы вам кратко рассказали, а о многих не можем рассказать, так как они лежат далеко в стороне от нашей основной темы. Но на этом примере нам хотелось показать, как в одной формуле собрались воедино труды и идеи тысяч ученых разных времен и стран.
Снова о Бернштейне
Но не следует думать, что достаточно было только высказать общую идею, чтобы все сразу с ней согласились; и самому Бернштейну, а затем и его последователям потребовались годы и десятилетия напряженного труда, споров, сомнений и разочарований, пока, наконец, удалось доказать свою правоту. Сама же по себе гипотеза мембранного потенциала выглядела в то время нисколько не лучше, чем гипотеза повреждения или даже гипотеза электромоторных молекул. Поэтому первую статью с изложением своих взглядов Бернштейн выпустил в свет только тогда, когда он сумел получить экспериментальные данные, которые могли послужить аргументом, хотя и косвенным, в их пользу.
Найти один из таких аргументов Бернштейну помогла все та же формула Нернста. В эту формулу кроме неизвестных концентраций неизвестно какого иона входит еще Т -- температура, а уж ее-то можно было не только измерить, но и менять по своему усмотрению.
Проведя серию опытов на мышце лягушки, Бернштейн показал, что если нагревают продольную неповрежденную поверхность мышцы, то в определенном диапазоне регистрируемый потенциал повреждения, действительно, прямо пропорционален Т, как и следует из формулы Нернста. Нагревание самого разреза, напротив, не влияло на значение потенциала. Это и был аргумент против теории повреждения.
Другая серия опытов была еще более эффектной. Бернштейн показал, что если нагреть один конец целой неповрежденной мышцы, то от нагретого к холодному месту поверхности мышцы потечет ток, Этот результат также прямо следует из теории: в более теплом месте поверхности возникает больший положительный потенциал, чем в холодном.
Как мы уже упоминали, в 1902 г, вышла первая статья Бернштейна по мембранной теории. Этот год и считается годом ее рождения.
Очень слабым местом мембранной гипотезы было полное отсутствие данных о том, какой именно ион вызывает потенциал. Но вот в 1905 г. в Берлине молодой сотрудник Нернста Гебер обнаруживает, что все соли, содержащие калий, оказывают сходное действие на мышцу: участок мышцы, на который действует раствор такой соли, приобретает отрицательный потенциал по отношению к другим участкам мышцы.
Бернштейн сразу оценивает значение работы Гебера -- ведь мембранная теория объясняет эти результаты очень просто: стоит только предположить, что К+ и является тем ионом, который создает потенциал. Все соли, содержащие калий, диссоциируя в растворе, увеличивают наружную концентрацию ионов калия, при этом отношение концентраций СуСг падает, и область, на которую действуют солью, приобретает меньший, чем другие участки, потенциал.
Факты сами по себе мало о чем говорят. Герман, почти за 40 лет до Берпштейна, наблюдая влияние температуры на мышцу, видел, что при нагревании участка, удаленного от разреза, потенциал растет. Эти факты не имели тогда истолкования и поэтому были полузабыты. Влияние солей калия на потенциал, оказывается, тоже было описано за 10 лет до Гебера в книге Бидермана, посвященной электробиологии, и на это тоже не обратили внимания. Только теория придает экспериментальным фактам смысл, позволяет отделить существенные от второстепенных, освещает их значение внутренним светом,
В 1912 г. вышла в свет большая книга Бернштейна «Электробиология». В этой книге дано объяснение не только потенциала покоя, но и многих других явлений, о чем мы расскажем дальше. Но очень важно, что Бернштейн предсказывает гораздо более общее значение мембранной теории, чем просто объяснение работы мышцы и нерва. Ведь по мембранной теории для возникновения ПП никаких специальных свойств от клетки не требовалось, и вполне естественно было предположить, что ПП присущ не только этим тканям, что все клетки могут вырабатывать электричество. Бернштейн объясняет работу электрического органа рыб, работу желез, движения насекомоядных растений и даже пытается объяснить движение внутриклеточных частиц -- хромосом -- при делении клеток клеточными потенциалами.
Эта книга заставляет вспомнить о другой книге, книге В.Ю. Чаговца, вышедшей в 1903 г. Невольно возникает впечатление, что Вернштейн идет прямо по стопам Чаговца, у которого в книге мы видим те же главы: о работе желез и кожных потенциалах, о работе электрических органов, о потенциалах в растительных клетках. Пришло время обобщений. Накопленный за столетие материал оказалось возможным увидеть с единой точки зрения.
Однако и после выхода в свет книги Бернштейна мембранная теория не вызвала особого восторга. И это закономерно, так как несмотря на достаточно глубокую разработку теории, проведенную Бернштейном, все экспериментальные ее подтверждения были косвенными: они доказывали следствия теории, а как хорошо понимают математики, если из А следует Б, то это не означает, что из Б следует А. Поэтому все основные утверждения мембранной теории были по существу гипотезами, и для доказательства ее истинности не было другого пути, как доказать правильность гипотез, положенных в ее основу, а именно доказать, что:
а) клетки имеют мембрану, проницаемую для какого-то иона,
б) концентрация этого иона внутри клетки сильно отличается от его концентрации в наружной среде;
в) потенциал возникает на мембране только за счет ее проницаемости для этого иона и потому равен нернстовскому потенциалу.
Пока данных, прямо подтверждающих истинность этих фундаментальных положений мембранной теории, не было, следствие из нее могло получить и получало в продолжавшемся споре другое толкование. Так, влияние температуры могло объясняться ускорением химических реакций пусть не в месте повреждения, а на поверхности мышцы; влияние калия на величину ПП также могло быть истолковано как его химическое взаимодействие с веществом клетки и т. п.
Наибольшим нападкам подвергалась основа основ теории -- само существование мембраны, которую никак не удавалось увидеть в самый сильный микроскоп. Возражения относились не только к качественной картине явлений: были созданы теории, которые объясняли ПП свойствами протоплазмы и предсказывали ту же линейную зависимость ПП от температуры.
Таким образом, установить, какая теория верна, с помощью косвенных экспериментов оказалось невозможным. А прямые экспериментальные доказательства мембранной теории были получены очень нескоро: они требовали исследований на клеточном уровне, а в то время клетка как таковая еще не стала объектом электрофизиологического эксперимента.
Доказательства мембранной теории. Что снаружи? Что внутри?
Из трех основных «действующих лиц» мембранной теории -- мембрана, наружная среда, внутренняя среда -- довольно хорошо была исследована лишь наружная среда, и не только потому, что она была наиболее доступной. Химическим составом среды, окружающей клетки организма, биологам уже давно пришлось заниматься вне всякой связи с мембранной теорией. При любых экспериментах на изолированных органах их нужно держать в специально подобранном растворе. Например,, сердце лягушки нельзя оставлять просто на воздухе -- оно высохнет и перестанет работать, но нельзя поместить его и в воду -- под действием осмоса клетки органа погибнут.
Естественно, подбор таких растворов был связан с исследованием состава крови, гемолимфы и т. д., поэтому этот состав и был довольно хорошо известен.
Поэтому важный для подтверждения мембранной теории солевой -- а значит и ионный -- состав таких внеклеточных жидкостей был хорошо известен. Оказалось, что «главный поставщик» ионов всех таких растворов -- обыкновенная поваренная соль. Предполагают, что в этом отражается происхождение животных, главные ионы морской воды -- тоже натрий и хлор.
Особенно интересно и очень существенно с точки зрения мембранной теории то, что хотя абсолютная концентрация солей в тканевой жидкости разных организмов в зависимости от условий их обитания сильно варьирует, но соотношение концентраций ионов натрия и калия в среде, окружающей клетки организма, примерно одинаково для всех животных -- от медузы до человека. Концентрация калия примерно в 50 раз меньше, чем натрия. Таким образом, у всех животных эта среда по существу представляет собой в большей или 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, по все данные, полученные этими методами, были лишь приблизительными: клетки слишком малы, а между ними всегда имеется межклеточное вещество и жидкость. 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 раз случалось, решена с помощью двух подходов: и разработкой новых методов измерения, и подбором подходящего объекта.
