Электробиология

ВВЕДЕНИЕ.

Самим фактом, что в  живых организмах происходят разнообразные  электрические процессы, сегодня никого не удивишь. Это для нас так же привычно, как электрическое освещение или радиопередача.

Гораздо менее известно, что электрические явления играют столь же важную роль в работе всех других органов человека и животных: желудка, сердца, почек, желёз и т.д. Более того, кого бы мы из представителей живой природы не взяли: мельчайшую бактерию или самого большого из зверей - голубого кита, их жизнедеятельность связана с разнообразными электрическими явлениями.

Наши задачи изучить  «животное электричество», где оно  возникает и как  используется в организмах, и науку- электробиологию. Рассмотреть научные труды, размышления, открытия и людей, занимающихся этой наукой.

ГЛАВА 1

 Рождение электробиологии.

Днем рождения электробиологии  считается 26 сентября 1786 г. В этот день итальянский врач и ученый Луиджи Гальвани сделал важное открытие. Гальвани родился в Болонье 9 сентября 1737 г. В 1759г. Закончил Болонский университет и стал в нем работать. Он занимался медициной и анатомией. С 1780 г. Гальвани начал работу по физиологии нервов и мышц, которая принесла ему всемирную славу. До начала XVIII века науки об электричестве фактически не существовало. Даже самого слова «электричество» не было. Его ввел в науку один из ученых Нового времени — придворный врач английской королевы Елизаветы — Джильберт, который показал, что не только янтарь, но и другие тела (алмаз, сера, смола и д.р.), если их потереть, притягивают легкие предметы. Эти тела он назвал электрическими. Металлы ему наэлектризовать не удалось, и он пришел к выводу, что в них электричество не возникает (Этот вывод, благодаря авторитету Джильберта, продержался свыше 200 лет — запомните его: он сослужил плохую службу Гальвани.) Всерьез наука об электричестве начала развиваться именно в XVIII веке. В 1729г. английский физик С. Грей обнаружил, что вещества делятся на проводники и изоляторы. В 1733 г. французский академик Ш. Дюфе открыл существование двух типов зарядов (позже Б. Франклин ввел термины «положительный заряд» и «отрицатель ный заряд»). В 1745—1746 гг. почти одновременно в двух местах был изобретен первый конденсатор, так называемая лейденская банка.

Первым практическим результатом исследований электричества было изобретение громоотвода в 1753 г. Франклином. Заметим, что еще за 15 лет до того показал, что заряд распределяется по поверхности тела, а не проникает внутрь его, так что сама вода остается незаряженной.

Швейцарский ученый А.Галлер в ряде опытов показал, что скелетные мышцы, мышцы желудка, сердечная мышцы отвечают на прямое механическое, химическое или электрическое раздражение, когда соответствующая мышцы находится вне организма и отделена от нервов. Наблюдая за развитием эмбрионов, Галлер показал, что сердце начинает биться в тот период, когда в него еще не вросли никакие нервы. В 1763 г. один из последователей Галлера Ф. Фонтана  показал, что сердце может либо ответить, либо не ответить на одно и тоже раздражение в зависимости от того, через какой промежуток времени после предыдущего сокращения наносится раздражение. Сделал важное открытие. Оказывается, после предыдущего сокращения сердечная мышца должна какое-то время отдохнуть, чтобы стать способной к ответу на новое раздражение. Таким образом, в середине XVIII века складывается представление о возбудимости разных мышц, как о присущем им свойстве отвечать сокращением на непосредственное раздражение. Работы Фонтана показали, что возбудимость мышцы некоторая переменная величин, которая может меняться во времени, и которую хорошо было бы научиться как-то, измерять. Грей открыл, что электричество может «перетекать» от одного тела к другому, если их соединить металлической проволокой или другими проводниками. Наэлектризованные тела тщательно взвешивали и не могли обнаружить прибавки в весе. Таким образом, представления о невесомости электрического заряда было результатом не только умозрительных рассуждений, но и следствием недостаточной точности измерений. Когда выяснилось, что электрический заряд нельзя измерять взвешиванием, физики начали изобретать принципиально новые приборы. Эти приборы — разного рода электроскопы и электрометры — появляются в середине XVIII века, В 1746 г. появляется электрометр Элликота, в1747 г.— электроскоп Нолле, того самого аббата, который демонстрировал королю в Версале разряд лейденской банки. Один из первых электрометров был сконструирован Рихманом. В 1743 г. немецкий ученый Ганзен   выдвинул гипотезу о том, что сигнал в нервах имеет электрическую природу. В 1749 г. французский врач Дюфей защитил диссертацию на тему «Не является ли нервная жидкость электричеством?». Эту же идею поддержал в 1774г. английский ученый Пристли, прославившийся открытием кислорода. Идея явно носилась в воздухе. В связи с этими идеями два направления экспериментальных исследований — изучение электричества и изучение процессов в нервах и мышцах — соприкоснулись между собой. Появилась надежда установить, что процессы в нервах — процессы электрической природы.

 Гальвани ставит красивый опыт в духе своего времени, когда эффектные публичные демонстрации были очень популярны. Лапка лягушки подвешивается на медном крючке, соединенном с серебряной шкатулкой, стоящей так, что нижняя часть лапки касается шкатулки. Лапка сокращается и отдергивается от шкатулки, от этого цепь размыкается, тогда лапка вновь опускается, вновь касается шкатулки, вновь поднимается и т. д. Возникает, как говорит Гальвани, нечто вроде электрического маятника (На самом деле эта система совершенно аналогична прерывателю тока в электрическом звонке, но ни тока, ни звонка в то время еще не было.)

Как же объяснить эти наблюдения? Со времен Джильберта было известно, что металл нельзя наэлектризовать трением. Гальвани, как и другие ученые его времени, считал, что электричество не может возникать в металлах, они могут играть только роль проводников. Отсюда Гальвани заключает, что источником электричества в этих опытах являются сами ткани лягушки, а металлы только замыкают цепь. Но зачем в этой цепи нужны два разных металла? Гальвани исследует этот вопрос и обнаруживает, что можно обойтись просто кусочком медной проволоки. При использовании одного металла сокращение возникает не всегда, оно бывает слабее. Но это уже мелкая деталь. Сокращение мышц наблюдается визуально, сила сокращения не измеряется. Важно, что два металла не обязательны, а значит и несущественны, рассуждает Гальвани.

Гальвани работал с нервно-мышечным препаратом: задней лапкой лягушки  с отпрепарованным нервом и сохраненным кусочком спинного мозга. В первом же удачном опыте, когда лапка висела на балконе, медный крючок был пропущен через кусочек позвоночника, а кончик лапки коснулся железной решетки. Гальвани решает, что это и есть самые лучшие условия, и не пробует другие. Во всех его опытах один конец металлической дуги касается спинного мозга, а второй- поверхности лапки. Гальвани развивает такую схему: мышца лапки - заряженная лейденская банка; нерв - провод, соединенный с внутренней обкладкой банки; когда металлический проводник касается мышцы (наружной обкладки) и нерва (внутренней), мышца разряжается через нерв и это вызывает сокращение.

Еще четыре года уходят у  Гальвани на всестороннее исследование открытого явления и, наконец, в 1791 г. появляется работа, подводящая итог десятилетнего труда - упомянутый «Трактат о силах электричества при мышечном движении». Он сам пишет в конце своего трактата, что в дальнейшем все свои усилия направит на разработку нового, направления в медицине — электромедицину. Но он был не только врач, но и ученый. Он понимал, что для разработки такого направления очень важно было показать, что электрические явления не есть что-то чуждо живым организмам, что электричество тесно связано с жизнедеятельностью, что «животное электричество» по своей природе ничем не отличается от электричества, вырабатываемого электрической машиной. Не случайно Гальвани после опытов на лягушках ставит опыты на теплокровных, показывая, что те же явления можно получить и на нервно—     мшечных препаратах птиц и млекопитающих. Следовательно, электрические явления присущи всем животным, а значит и человеку! Гальвани даже позволяет себе высказать соображение о причине некоторых болезней (например, он высказывает гипотезу, что паралич может быть связан с нарушением изоляции нервов, и действительно, сейчас известны болезни, вызванные этой причиной; или что эпилепсия может быть связана с сильным электрическим разрядом в мозгу, что тоже оказалось в принципе верным) и о возможном лечебном применении электричества. Выдвигая свое утверждение о существовании «животного электричества», Гальвани опирался также на изучение электрических рыб: в этом случае их способность вырабатывать электричество была доказана. Электрический скат был известен с далекой древности, а электрический угорь был описан в XVII веке после открытия Америки. Но этих рыб тогда, естественно, не называли электрическими, так как не знали, что их действие на человека и животных как-то связано с, электричеством.

В это время (1792г.) Вольта был уже  известным физиком, профессором  университета в Павии. К этому  времени он изобрёл новый чувствительный электроскоп, электрический конденсатор и ряд других приборов. Его научные интересы всю жизнь были в основном связаны с электричеством, и работа Гальвани произвела на него огромное впечатление. В первые же 10 дней после получения «Трактата…» он ставит массу новых опытов, полностью подтверждает результаты Гальвани и задаётся целью внести меру в эту новую область науки, т.е. провести количественное изучение «животного электричества», измерить электрометрами его величину и величину заряда, необходимого для вызова сокращения мышцы. В первых же опытах он обнаруживает, что препарат лягушки крайне чувствителен к электрическому разряду и сокращение возникает при столь слабых зарядах лейденской банки, которые не обнаруживаются самыми лучшими электрометрами. Отсюда он делает вывод, что вовсе не мышца разряжается через провод и нерв, а , напротив, нерв, который более чувствителен к раздражению, возбуждается и что- то передаёт в мышцу. У Вольта всё более крепнет уверенность, что источником электричества в опытах Гальвани была не мышца лягушки, а те два металла, которыми Гальвани к ней прикасался.

Наблюдение, сделанное Гальвани 2 сентября 1786 г. имело причиной чисто физическое явление, на основе которого Вольта изобрел  источник постоянного тока: гальванический элемент или вольтов столб. Это изобретение приведет к интенсивному развитию учения об электричестве и электротехнике и сделал 19век веком не только пара, но и электричества.

Опыт 1. Бралась мышца с отходящим  от неё нервом. Отдалённый конец  нерва перерезался и приводился в соприкосновение с мышцей при помощи стеклянной палочки. В момент прикосновения нерва мышца сокращалась. Для удачного воспроизведения опыта нужен свежеперерезанный нерв. Гальвани отмечает, что место перерезки, по- видимому, играет какую- то важную роль. Здесь он опять проявляет замечательную наблюдательность, как и в случае с двумя разными металлами.

Опыт 2. В этом опыте использовались две мышцы с отходящими от них  нервами. Один нерв укладывался в  виде дуги, а второй располагался так, чтобы одна его точка лежала на неповреждённом участке первого нерва, а вторая -  возможно ближе к месту его перерезки; мышца, связанная со вторым нервом, сокращалась.

Опыт 3. Вновь, брались две мышцы  с отходящими от них нервами. Нерв второй мышцы помещался на первую мышцу. Раздражался первый нерв, отчего сокращалась первая мышца. Неизменно вслед за этим возникало сокращение и второй мышцы. В этом опыте разрез нерва не играл никакой роли. Сокращающаяся мышца как- то действовала на лежащий на ней нерв.

К сожалению, эти свои опыты Гальвани не смог опубликовать- они были описаны только в его частных письмах. Но у него был ряд сторонников и последователей, которые опубликовали описания многих новых опытов, подтверждающих взгляды Гальвани.

Гальвани открыл «металлическое» электричество, а думал, что открыл «животное электричество».Но самое интересное состояло в том, что прав был и Гальвани, и его критик Вольта. На самом деле Гальвани открыл два разных явления и «животное электричество», и металлическое. Но сам он считал, что открыл только первое из них, а Вольта считал, что существует только второе.

В 1826г. немецкий физик Г.Ом открыл закон, который носит его имя. Для  электробиологии особенно важно  было то, что Ом ввел понятие «сила  тока», «сопротивление», которых так не хватало Гальвани и Вольта.

В 20-х годах Штейгер изобретает гальванометр- прибор для измерения постоянного тока. Наконец-то появился объективный способ измерить малые токи, которые до этого регистрировались только с помощью лягушачьей лапки. Начиная с 1837г. итальянский ученый К.Маттеучи использует гальванометр для объективной проверки опытов Гальвани. Он сделал широко известным третий опыт Гальвани. Маттеучи показал, что при возбуждении неповрежденной мышцы между ее частями идет электрический ток, который может возбудить лежащий на ней нерв. Работы Маттеучи носили принципиальный характер: до них, пока единственным измерительным прибором служила сама лапка лягушки, не было уверенности в том, что процессы возбуждения связанны с электрическими явлениями. После работ Маттеучи это можно считать доказанным.

ГЛАВА 2

Первые шаги электробиологии.

Дальнейшее развитие электробиологии тесно связано  с Эмилем Дюбуа- Реймоном («отец» электрофизиологии). Работа Дюбуа- Реймона шли в двух основных направлениях: во- первых, он изучил токи, генерируемые живыми тканями (тут он продолжал линию Гальвани- Маттеучи); во- вторых, он изучал законы действия электрического тока как раздражителя нервов и мышц (здесь он продолжал тему, начатую Фонтана и Вольта).

Работа Дюбуа и его  школы по первому направлению  дали возможность выделить из многообразия отдельных разрозненных экспериментальных данных два основных явления электробиологии.

В 1843г. он открыл ток повреждения  в нерве. Это был первый случай, когда электричество объективно зарегистрировали в нервах. Сделав эти открытия, Дюбуа    исследовал нервы самых разных животных: омара, щуки, лягушки, утки, кролика, кошки, собаки, - так его можно считать основателем сравнительной электрофизиологии. Во всех случаях значение потенциала повреждения оказались примерно одинаковыми (порядка 0.02 В), и Дюбуа сделал вывод, что нервы самых разных животных устроены достаточно сложно. Он первым получил своеобразную электроэнцефалограмму, обнаружив ток повреждения в коре больших полушарий

Дюбуа- Реймон был не только «отцом электробиологии», но и «научным отцом» большинства электрофизиологов того времени, т.е. главой обширной и очень плодотворной научной школы.

Его наблюдения были одним  из первых законов электробиологии, который удалось выразить в виде формулы. Количественная зависимость  пороговой силы тока(I) от времени его действия (t) , где a и b- константы:

I = a /t+ b

Интересные данные о  раздражающем действии постоянного  тока были получены последователем Дюбуа  Э.Пфлюгером. Так, совершенно неожиданно оказалось, что нерв или мышца  возбуждаются не только при включении тока, но и при выключении! При включении тока возбуждение возникает под катодом, а при выключении- под анодом.

В 1876г. французский ученый Э.Марей воспроизвёл хорошо забытые к тому времени опыты Фонтана, показавшего, что сердце в течение некоторого промежутка времени после возбуждения теряет чувствительность к электрическому раздражению: в это время его нельзя возбудить даже самым сильным током. Марей показал, что таким же свойством обладают и другие мышцы. Он также обнаружил, что когда после некоторого отдыха сердце начинает опять отвечает на стимул, то порог раздражения сначала очень высок, а потом постепенно снижается. Этот отрезок времени Марей назвал относительным рефрактерным периодом в отличие от абсолютного рефрактерного периода, когда сердце вообще не отвечает на стимуляцию.

Если считать, что возбуждение, идущее по нерву, имеет электрическую  природу, то, по- видимому, бессмысленно пытаться измерить его скорость- слишком  малы расстояния. И всёже нашелся человек, который сделал такую попытку: это был друг Дюбуа- Реймона, замечательный ученый Герман Гельмгольц. В 1850г. Гельмгольц был профессором физиологии Кенигсбегского университета. Там он и придумал несколько вариантов опытов для измерения скорости возбуждения. Оказалось, что возбуждение распространяется по нерву со скоростью всего 30м/с, т.е. в сто миллионов раз медленнее, чем электрический сигнал, и даже в десять раз медленнее, чем звук! Чем же объясняется такое сильное отличие этой скорости распространения электрического сигнала в металлах и электролитах? Получается, что «животное электричество» не так- то просто поддаётся объяснению с помощью тех понятий, которые были выработаны для электричества «неживого», чисто физического. В связи с этим возобновились разговоры об особых свойствах «животного электричества», в то время как другие ученые высказывали сомнение об электрической природе распространения возбуждения по нервным волокнам. Это сомнение было развеяно учёными младшего поколения школы Дюбуа- Реймона, в дальнейшем ставшими главными героями науки о «животном электричестве»,- Юлиусом Бернштейном и Людвигом Германом. Им удалось установить форму волны возбуждения и измерить скорость распространения этого электрического сигнала вдоль по мышце или нерву. Скорость оказалась точь-в-точь равной той, которую за двадцать лет до того измерил Гельмгольц!