«Физиология человека Под редакцией чл.-кор. АМН СССР Г. И. КОСИЦКОГО ИЗДАНИЕ ТРЕТЬЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ Допущено Главным управлением учебных заведений Министерства здравоохранения СССР в качестве учебника для ...»

УЧЕБНАЯ ЛИТЕРАТУРА

Для студентов медицинских институтов

Физиология

человека

Под редакцией

чл.-кор. АМН СССР Г. И. КОСИЦКОГО

ИЗДАНИЕ ТРЕТЬЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ

И ДОПОЛНЕННОЕ

Допущено Главным управлением учебных заведений Министерства здравоохранения СССР в качестве учебника

для студентов медицинских институтов

Москва «Медицина» 1985

ББК 28.903

Ф50 УДК

612(075.8)

E. Б. БАБСКИЙ В. Д. ГЛЕБОВСКИЙ, А. Б. КОГАН, Г. Ф. КОРОТЬКО, Г. И. КОСИЦКИЙ, В. М. ПОКРОВСКИЙ, Ю. В. НАТОЧИН, В. П.

СКИПЕТРОВ, Б. И. ХОДОРОВ, А. И. ШАПОВАЛОВ, И. А. ШЕВЕЛЕВ Рецензент И. Д. Боенко, проф., зав. кафедрой нормальной физиологии Воронежского медицинского института им. Н. Н. Бурденко Физиология человека/Под ред. Г. И. Косицкого.— Ф50 3-е изд., перераб. и доп.— М.: Медицина, 1985. 544 с, ил.

В пер.: 2 р. 20 к. 15 0 000 экз.

Третье издание учебника (второе вышло в 1972 г.) написано в соответствии с достижениями современной науки. Представлены новые факты и концепции, включены новые главы: «Особенности высшей нервной деятельности человека», «Элементы физиологии труда, механизмы тренировки и адаптации», расширены разделы, освещающие вопросы биофизики и физиологической кибернетики. Девять глав учебника написаны заново, остальные в значительной мере переработаны.

Учебник соответствует программе, утвержденной Министерством здравоохранения СССР, и предназначен для студентов медицинских институтов.

2007020000-241 ББК 28. 039(01)— Издательство «Медицина»,

ПРЕДИСЛОВИЕ

Со времени предыдущего издания учебника «Физиология человека» прошло 12 лет.

Не стало ответственного редактора и одного из авторов книги — академика АН УССР Е.Б.Бабского, по руководствам которого изучали физиологию многие поколения студентов.

В состав авторского коллектива настоящего издания вошли известные специалисты соответствующих разделов физиологии: член-корреспондент АН СССР, проф. А.И.

Шаповалов и проф. Ю. В. Наточин (заведующие лабораториями Института эволюционной физиологии и биохимии им.И.М.Сеченова АН СССР), проф. В.Д.Глебовский (зав. кафедрой физиологии Ленинградского педиатрического медицинского института), проф. А.Б.Коган (зав. кафедрой физиологии человека и животных и директор института нейрокибернетики Ростовского Государственного Университета), проф. Г. Ф.Коротько (зав. кафедрой физиологии Андижанского медицинского института), проф. В.М.Покровский (зав. кафедрой физиологии Кубанского медицинского института), проф. Б.И.Ходоров (зав. лабораторией Института хирургии им. А. В. Вишневского АМН СССР), проф. И. А. Шевелев (зав. лабораторией Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии АН СССР).

За прошедшее время появилось большое количество новых фактов, воззрений, теорий, открытий и направлений нашей науки. В связи с этим 9 глав в настоящем издании пришлось написать заново, а остальные 10 глав переработать и дополнить. При этом в той мере, в какой это было возможно, авторы пытались сохранить текст этих глав.

Новая последовательность изложения материала, равно как и объединение его в четыре основных раздела продиктованы стремлением придать изложению логическую стройность, последовательность и, насколько это возможно, избежать дублирования материала.

Содержание учебника соответствует программе по физиологии, утвержденной в году. Учтены и критические замечания в адрес проекта и самой программы, высказанные в постановлении Бюро Отделения физиологии АН СССР (1980 г.) и на Всесоюзном совещании заведующих кафедрами физиологии медвузов (Суздаль, 1982). В соответствии с программой в учебник введены главы, отсутствующие в предыдущем издании: «Особенности высшей нервной деятельности человека» и «Элементы физиологии труда, механизмы тренировки и адаптации», а также расширены разделы, освещающие вопросы частной биофизики и физиологической кибернетики. Авторы учитывали при этом, что в 1983 году вышел учебник биофизики для студентов медицинских институтов (под ред.

проф. Ю.А.Владимирова) и что элементы биофизики и кибернетики изложены в учебнике проф. А.Н.Ремизова «Медицинская и биологическая физика».

Из-*за ограниченного объема учебника пришлось, к сожалению, опустить главу «История физиологии», а также экскурсы в историю в отдельных главах. В главе 1-й даны лишь очерки становления и развития основных этапов нашей науки и показано ее значение для медицины.

Большую помощь в создании учебника оказали наши коллеги. На Всесоюзном совещании в Суздале (1982) была обсуждена и одобрена структура, и высказаны ценные пожелания относительно содержания учебника. Проф. В.П.Скипетровым пересмотрена структура и отредактирован текст 9-й главы и, кроме того, написаны ее разделы, касаюЩИЕСЯ свертывания крови. Проф. В. С. Гурфинкелем и Р. С. Персон написан подраздел 6 й «Регуляция движений». Доц. Н. М. Малышенко представила некоторые новые материалы для главы 8. Проф. И.Д.Боенко и его сотрудники высказали много полезных !ТМРЧЯНИЙ и пожеланий в качестве рецензентов.

Сотрудники кафедры физиологии II МОЛГМИ им-Н. И. Пирогова проф. Л. А. Мипютина доценты И. А. Мурашова, С. А. Севастопольская, Т. Е. Кузнецова, к.м.н „" мпнгуш и Л М Попова приняли участие в обсуждении рукописи некоторых глав.

Хочется выразить всем указанным товарищам нашу глубокую признательность.

Авторы в полной мере сознают, что в столь трудном деле, каким является создание современного учебника, неизбежны недочеты и поэтому будут благодарны всем, кто выскажет в адрес учебника критические замечания и пожелания.

ФИЗИОЛОГИЯ И ЕЕ ЗНАЧЕНИЕ

Физиология (от греч. physis — природа и logos — учение) — наука о жизнедеятельности целостного организма и отдельных его частей: клеток, тканей, органов, функциональных систем. Физиология стремится вскрыть механизмы осуществления функций живого организма, их связь между собой, регуляцию и приспособление к внешней среде, происхождение и становление в процессе эволюции и индивидуального развития особи.

Физиологические закономерности основаны на данных о макро- и микроскопической структуре органов и тканей, а также о биохимических и биофизических процессах, протекающих в клетках, органах и тканях. Физиология синтезирует конкретные сведения, полученные анатомией, гистологией, цитологией, молекулярной биологией, биохимией, биофизикой и другими науками, объединяя их в единую систему знаний об организме.

Таким образом, физиология является наукой, осуществляющей системный подход, т.е.

исследование организма и всех его элементов как систем. Системный подход ориентирует исследователя в первую очередь на раскрытие целостности объекта и обеспечивающих ее механизмов, т.е. на выявление многообразных типов связей сложного объекта и сведение их в единую теоретическую картину.

Объект изучения физиологии — живой организм, функционирование которого как целого представляет собой не результат простого механического взаимодействия составляющих его частей. Целостность организма возникает и не вследствие воздействия некой надматериальной сущности, беспрекословно подчиняющей себе все материальные структуры организма. Подобные трактовки целостности организма существовали и еще существуют в виде ограниченного механистического (метафизического) или не менее ограниченного идеалистического (виталистического) подхода к изучению жизненных явлений.

Ошибки, присущие обоим подходам, могут быть преодолены лишь при изучении этих проблем с диалектико-материалистических позиций. Поэтому закономерности деятельности организма как целого можно понять лишь на основе последовательно научного мировоззрения. Со своей стороны изучение физиологических закономерностей дает богатый фактический материал, иллюстрирующий ряд положений диалектического материализма. Связь физиологии и философии, таким образом, является двусторонней.

Физиология и медицина Раскрывая основные механизмы, обеспечивающие существование целостного организма и его взаимодействие с окружающей средой, физиология позволяет выяснить и исследовать причины, условия и характер нарушений деятельности этих механизмов во время болезни. Она помогает определить пути и способы воздействия на организм, при помощи которых можно нормализовать его функции, т.е. восстановить здоровье.

Поэтому физиология является теоретической основой медицины, физиология и медицина неотделимы. Врач оценивает тяжесть заболевания по степени функциональных нарушений, т.е. по величине отклонения от нормы ряда физиологических функций. В настоящее время такие отклонения измеряются и оцениваются количественно. Функциональные (физиологические) исследования являются основой клинической диагностики, а также методом оценки эффективности лечения и прогноза заболеваний. Обследуя больного, устанавливая степень нарушения физиологических функций, врач ставит перед собой задачу вернуть эти функции к норме.

Однако значение физиологии для медицины не ограничивается этим. Изучение функций различных органов и систем позволило моделировать эти функции с помощью приборов, аппаратов и приспособлений, созданных руками человека. Таким путем была сконструирована искусственная почка (аппарат для гемодиализа). На основе изучения физиологии сердечного ритма создан аппарат для электростимуляции сердца, обеспечивающий нормальную сердечную деятельность и возможность возвращения к труду больных с тяжелыми поражениями сердца. Изготовлены искусственное сердце и аппараты искусственного кровообращения (машины «сердце — легкие»), позволяющие выключить сердце пациента на время проведения на сердце сложной операции. Есть аппараты для дефибрилляции, которые восстанавливают нормальную сердечную деятельность при смертельных нарушениях сократительной функции сердечной мышцы.

Исследования в области физиологии дыхания позволили сконструировать аппарат для управляемого искусственного дыхания («железные легкие»). Созданы приборы, при помощи которых можно на длительное время выключить дыхание пациента в условиях операций либо годами поддерживать жизнь организма при поражениях дыхательного центра. Знание физиологических закономерностей газообмена и транспорта газов помогло создать установки для гипербарической оксигенации. Она используется при смертельных поражениях системы крови, а также дыхательной и сердечно-сосудистой систем.

На основе законов физиологии мозга разработаны методики ряда сложнейших нейрохирургических операций. Так, в улитку глухого человека вживляют электроды, по которым поступают электрические импульсы из искусственных приемников звука, что в известной мере восстанавливает слух.

Это лишь очень немногие примеры использования законов физиологии в клинике, но значение нашей науки выходит далеко за пределы только лечебной медицины.

Роль физиологии в обеспечении жизни и деятельности человека в различных условиях Изучение физиологии необходимо для научного обоснования и создания условий здорового образа жизни, предупреждающего заболевания. Физиологические закономерности являются основой научной организации труда в современном производстве. Физиология позволила разработать научное обоснование различных режимов индивидуальных тренировок и спортивных нагрузок, лежащих в основе современных спортивных достижений. И не только спортивных. Если нужно послать человека в космос или опустить его в глубины океана, предпринять экспедицию на северный и южный полюс, достичь вершин Гималаев, освоить тундру, тайгу, пустыню, поместить человека в условия предельно высоких или низких температур, переместить его в различные часовые пояса или климатические условия, то физиология помогает обосновать и обеспечить все необходимое для жизни и работы человека в подобных экстремальных условиях.

Физиология и техника Знание законов физиологии потребовалось не только для научной организации и повышения призводительности труда. За миллиарды лет эволюции природа, как известно, достигла высочайшего совершенства в конструкции и управлении функциями живых организмов. Использование в технике принципов, методов и способов, действующих в организме, открывает новые перспективы для технического прогресса. Поэтому на стыке физиологии и технических наук родилась новая наука—бионика.

Успехи физиологии способствовали созданию ряда других областей науки.

РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Физиология родилась как наука экспериментальная. Все данные она получает путем непосредственного исследования процессов жизнедеятельности организмов животных и человека. Родоначальником экспериментальной физиологии был знаменитый английский врач Уильям Гарвей.

«Триста лет тому назад среди глубокого мрака и трудно вообразимой сейчас пута ницы, царившей в представлениях о деятельности животного и человеческого организ мов, но освещенных неприкосновенным авторитетом научного классического наследия, врач Уильям Гарвей подсмотрел одну из важнейших функций организма — кровообра щение и тем заложил фундамент новому отделу точного человеческого знания физио логии животных», — писал И.П.Павлов. Однако на протяжении двух веков после откры тия кровообращения Гарвеем развитие физиологии происходило медленно. Можно пере числить сравнительно немного основополагающих работ XVII—XVIII вв. Это открытие капилляров (Мальпиги), формулировка принципа рефлекторной деятельности нервной системы (Декарт), измерение величины кровяного давления (Хелс), формулировка зако на сохранения материи (М.В.Ломоносов), открытие кислорода (Пристли) и общности процессов горения и газообмена (Лавуазье), открытие «животного электричества», т. е.

способности живых тканей генерировать электрические потенциалы (Гальвани), и неко торые другие работы.

Наблюдение как метод физиологического исследования. Сравнительно медленное развитие экспериментальной физиологии на протяжении двух столетий после работ Гарвея объясняется низким уровнем производства и развития естествознания, а также трудностями исследования физиологических явлений путем их обычного наблюдения. Подобный методический прием был и остается причиной многочисленных ство сложных процессов и явлений, что представляет собой трудную задачу. О трудностях, которые создает методика простого наблюдения физиологических явлений, красноречиво свидетельствуют слова Гарвея: «Скорость сердечного движения не позволяет различить, как происходит систола и диастола, и поэтому нельзя узнать, в какой момент и в которой части совершается расширение и сжатие. Действительно, я не мог отличить систолы от диастолы, так как у многих животных сердце показывается и исчезает в мгновение ока, с быстротой молнии, так что мне казалось один раз здесь систола, а здесь — диастола, другой раз — наоборот. Во всем разность и сбивчивость».

Действительно, физиологические процессы представляют собой динамические явления. Они непрерывно развиваются и изменяются. Поэтому непосредственно удается наблюдать лишь 1 —2 или, в лучшем случае, 2—3 процесса. Однако, чтобы их анализировать, необходимо установить взаимосвязь этих явлений с другими процессами, которые при таком способе исследования остаются незамеченными. В связи с этим простое наблюдение физиологических процессов как метод исследования является источником субъективных ошибок. Обычно наблюдение позволяет установить лишь качественную сторону явлений и лишает возможности исследовать их количественно.

Важной вехой в развитии экспериментальной физиологии было изобретение кимографа и введение метода графической регистрации артериального давления немецким ученым Карлом Людвигом в 1843 г.

Графическая регистрация физиологичесих процессов. Метод графической регистрации ознаменовал новый этап в физиологии. Он позволил получать объективную запись изучаемого процесса, сводившую до минимума возможность субъективных ошибок. При этом эксперимент и анализ изучаемого явления можно было производить в два этапа.

Во время самого опыта задача экспериментатора заключалась в том, чтобы получить высококачественные записи — кривые. Анализ полученных данных можно было производить позже, когда внимание экспериментатора уже не отвлекалось на проведение опыта.

Метод графической регистрации дал возможность записывать одновременно (синхронно) не один, а несколько (теоретически неограниченное количество) физиологических процессов.

Довольно скоро после изобретения записи артериального давления были предложены методы регистрации сокращения сердца и мыщц (Энгельман), введен способ воздушной передачи (капсула Марея), позволивший записывать иногда на значительном расстоянии от объекта ряд физиологических процессов в организме: дыхательные движения грудной клетки и брюшной полости, перистальтику и изменение тонуса желудка, кишечника и т.д. Был предложен метод регистрации сосудистого тонуса (плетизмография по Моссо), изменения объема, различных внутренних органов — онкометрия и т.д.

Исследования биоэлектрических явлений. Чрезвычайно важное направление развития физиологии было ознаменовано открытием «животного электричества». Классический «второй опыт» Луиджи Гальвани показал, что живые ткани являются источником электрических потенциалов, способных воздействовать на нервы и мышцы другого организма и вызывать-сокращение мышц. С тех пор на протяжении почти целого столетия единственным индикатором потенциалов, генерируемых живыми тканями {биоэлектрических потенциалов), был нервно-мышечный препарат лягушки. Он помог открыть потенциалы, генерируемые сердцем при его деятельности (опыт Келликера и Мюллера), а также необходимость непрерывной генерации электрических потенциалов для постоянного сокращения мышц (опыт «вторичного тетануса» Матеучи). Стало ясно, что биоэлектрические потенциалы — это не случайные (побочные) явления в деятельности живых тканей, а сигналы, при помощи которых в организме передаются команды в нервной системе и от нее на мышцы и другие органы и таким образом живые ткани взаимодействуют между собой, используя «электрический язык».

Понять этот «язык» удалось значительно позже, после изобретения физических приборов, улавливающих биоэлектрические потенциалы. Одним из первых таких приборов был простой телефон. Замечательный русский физиолог Н.Е.Введенский при помощи телефона открыл ряд важнейших физиологических свойств нервов и мышц. Используя телефон, удалось прослушать биоэлектрические потенциалы, т.е. исследовать их путем наблюдения. Значительным шагом вперед было изобретение методики объективной графической регистрации биоэлектрических явлений. Нидерландский физиолог Эйнтховен изобрел струнный гальванометр — прибор, позволивший зарегистрировать на фотобумаге электрические потенциалы, возникающие при деятельности сердца, — электрокардиограмму (ЭКГ). В нашей стране пионером этого метода был крупнейший физиолог, ученик И.М.Сеченова и И.П.Павлова А.Ф.Самойлов, работавший некоторе время в лаборатории Эйнтховена в Лейдене.

История сохранила любопытные документы. А. Ф. Самойлов в 1928 г. написал шутливое письмо:

«Дорогой Эйнтховен, я пишу письмо не Вам, а вашему дорогому и уважаемому струнному гальванометру. Поэтому и обращаюсь к нему: Дорогой гальванометр, я только что узнал о Вашем юбилее.

25 лет тому назад вы начертали первую электрокардиограмму. Поздравляю Вас. Не хочу скрыть от Вас, что Вы мне нравитесь, несмотря на то, что Вы иногда пошаливаете. Удивляюсь тому, как много Вы достигли в течение 25 лет. Если бы мы могли сосчитать число метров и километров фотографической бумаги, употребленной для записи Вашими струнами во всех частях света, то полученные цифры были бы огромными. Вы создали новую промышленность. Имеете также филологические заслуги; мы обязаны Вам рождением новых слов, подобных электрокардиограмме». В конце письма Самойлов добавил: «Дорогой Эйнтховен, прошу Вас прочитать это письмо струнному гальванометру, ибо он умеет писать, но не может читать».

Очень скоро автор получил ответ от Эйнтховена, который писал: «Я точно выполнил Вашу просьбу и прочел письмо гальванометру. Несомненно, он выслушал и принял с удовольствием и радостью все, что Вы написали. Он не подозревал, что сделал так много для человечества. Но на том месте, где Вы говорите, что он не умеет читать, он вдруг рассвирепел... так, что я и моя семья даже взволновались. Он кричал: Что, я не умею читать? Это — ужасная ложь. Разве я не читаю все тайны сердца?» ' Действительно, электрокардиография из физиологических лабораторий очень скоро перешла в клинику как весьма совершенный метод исследования состояния сердца, и многие миллионы больных сегодня обязаны этому методу своей жизнью.

Самойлов А. Ф. Избранные статьи и речи.—М.—Л.: Изд-во АН СССР, 1946, с. 153.

В последующем использование электронных усилителей позволило создать компактные электрокардиографы, а методы телеметрии дают возможность регистрировать ЭКГ у космонавтов на орбите, у спортсменов на трассе и у больных, находящихся в отдаленных местностях, откуда ЭКГ передается по телефонным проводам в крупные кардиологические учреждения для всестороннего анализа.

Объективная графическая регистрация биоэлектрических потенциалов послужила основой важнейшего раздела нашей науки — электрофизиологии. Крупным шагом вперед было предложение английского физиолога Эдриана использовать для записи биоэлектрических явлений электронные усилители. Советский ученый В. В. ПравдичНеминский впервые зарегистрировал биотоки головного мозга — получил электроэнцефалограмму (ЭЭГ). Этот метод был позже усовершенствован немецким ученым Бергером. В настоящее время электроэнцефалография широко используется в клинике, так же как и графическая запись электрических потенциалов мышц (электромиография), нервов и других возбудимых тканей и органов. Это позволило проводить тонкую оценку функционального состояния данных органов и систем. Для самой физиологии указанные методы имели также большое значение: они позволили расшифровать функциональные и структурные механизмы деятельности нервной системы и других органов и тканей, механизмы регуляции физиологических процессов.

Важной вехой в развитии электрофизиологии было изобретение микроэлектродов, т.е. тончайших электродов, диаметр кончика которых равен долям микрона. Эти электроды при помощи соответствующих устройств — микроманипулягоров можно вводить непосредственно в клетку и регистрировать биоэлектрические потенциалы внутриклеточно.

Микроэлектроды дали возможность расшифровать механизмы генерации биопотенциалов, т.е. процессов, протекающих в мембранах клетки. Мембраны являются важнейшими образованиями, так как через них осуществляются процессы взаимодействия клеток в организме и отдельных элементов клетки между собой. Наука о функциях биологических мембран—мембранология — стала важной отраслью физиологии.

Методы электрического раздражения органов и тканей. Существенной вехой в развитии физиологии было введение метода электрического раздражения органов и тканей.

Живые органы и ткани способны реагировать на любые воздействия: тепловые, механические, химические и др., электрическое раздражение по своей природе наиболее близко к «естественному языку», с помощью которого живые системы обмениваются информацией. Основоположником этого метода был немецкий физиолог Дюбуа-Реймон, предложивший свой знаменитый «санный аппарат» (индукционная катушка) для дозированного электрического раздражения живых тканей.

В настоящее время для этого используют электронные стимуляторы, позволяющие получить электрические импульсы любой формы, частоты и силы. Электрическая стимуляция стала важным методом исследования функций органов и тканей. Указанный метод широко применяется и в клинике. Разработаны конструкции различных электронных стимуляторов, которые можно вживлять в организм. Электрическая стимуляция сердца стала надежным способом восстановления нормального ритма и функций этого жизненно важного органа и возвратила к труду сотни тысяч людей. Успешно применяется электростимуляция скелетных мыщц, разрабатываются методы электрической стимуляции участков головного мозга при помощи вживленных электродов. Последние при помощи специальных стереотаксических приборов вводят в строго определенные нервные центры (с точностью до долей миллиметра). Этот метод, перенесенный из физиологии в клинику, позволил излечить тысячи тяжелых неврологически больных и получить большое количество важных данных б механизмах работы человеческого мозга (Н. П. Бехтерева). Мы рассказали об этом не только для того, чтобы дать представление о некоторых методах физиологических исследований, но и чтобы проиллюстрировать значение физиологии для клиники.

Помимо регистрации электрических потенциалов, температуры, давления, механических движений и других физических процессов, а также результатов воздействия этих процессов на организм, в физиологии широко применяются химические методы.

Химические методы в физиологии. Язык электрических сигналов не самый универсальный в организме. Наиболее распространенным является химическое взаимодействие процессов жизнедеятельности (цепи химических процессов, происходящих в живых тканях). Поэтому возникла область химии, изучающая эти процессы,— физиологическая химия. Сегодня она превратилась в самостоятельную науку — биологическую химию, данные которой раскрывают молекулярные механизмы физиологических процессов. Физиолог в своих экспериментах широко пользуется химическими методами, равно как и методами, возникшими на стыке химии, физики и биологии. Эти методы породили уже новые отрасли науки, например биофизику, изучающую физическую сторону физиологических явлений.

Физиолог широко использует метод меченных атомов. В современных физиологических исследованиях применяются и другие методы, заимствованные из точных наук. Они дают поистине бесценные сведения при анализе тех или иных механизмов физиологических процессов.

Электрическая запись неэлектрических величин. Значительное продвижение вперед в физиологии сегодня связано с использованием радиоэлектронной техники. Применяют датчики — преобразователи различных неэлектрических явлений и величин (движение, давление, температура, концентрация различных веществ, ионов и т.д.) в электрические потенциалы, которые затем усиливаются электронными усилителями и регистрируются осциллографами. Разработано огромное количество разных типов таких регистрирующих устройств, которые позволяют записать на осциллографе очень многие физиологические процессы. В ряде приборов используются дополнительные воздействия на организм (ультразвуковые или электромагнитные волны, высокочастотные электрические колебания и т.д.). В таких случаях записывают изменение величины параметров этих воздействий, изменяющих те или иные физиологические функции. Преимуществом подобных приборов является то, что преобразователь — датчик можно укрепить не на исследуемом органе, а на поверхности тела. Воздействующие на тело волны, колебания и т.д. проникают в организм и после воздействия на исследуемую функцию или орган регистрируются датчиком. На таком принципе построены, например, ультразвуковые расходомеры, определяющие скорость кровотока в сосудах, реографы и реоплетизмографы, регистрирующие изменение величины кровенаполнения различных отделов организма, и многие другие приборы. Преимуществом их является возможность исследования организма в любой момент без предварительных операций. Кроме того, такие исследования не наносят вред организму. Большинство современных методов физиологических исследований в клинике основано на этих принципах. В СССР инициатором использования радиоэлектронной техники для физиологических исследований был академик В. В. Парин.

Значительным преимуществом подобных способов регистрации является то, что физиологический процесс преобразуется датчиком в электрические колебания, а последние могут быть усилены и переданы по проводам или по радио на любое расстояние от исследуемого объекта. Так возникли методы телеметрии, при помощи которых можно в наземной лаборатории регистрировать физиологические процессы в организме космонавта, находящегося на орбите, летчика в полете, у спортсмена на трассе, рабочего во время трудовой деятельности и т.д. Сама регистрация ни в коей мере не мешает деятельности обследуемых.

Однако чем глубже анализ процессов, тем в большей мере возникает потребность в синтезе, т.е. создании из отдельных элементов целой картины явлений.

Задача физиологии заключается в том, чтобы наряду с углублением анализа непрерывно осуществлять и синтез, давать целостное представление об организме как о системе.

Законы физиологии позволяют понять реакцию организма (как целостной системы) и всех его подсистем в тех или иных условиях, при тех или иных воздействиях и т.д.

Поэтому любой метод воздействия на организм, перед тем как войти в клиническую практику, проходит всестороннюю проверку в физиологических экспериментах.

Метод острого эксперимента. Прогресс науки связан не только с развитием экспериментальной техники и методов исследования. Он в огромной мере зависит и от эволюции мышления физиологов, от развития методологических и методических подходов к изучению физиологических явлений. С начала зарождения и до 80-х годов прошлого столетия физиология оставалась наукой аналитической. Она расчленяла организм на отдельные органы и системы и изучала деятельность их изолированно. Основным методическим приемом аналитической физиологии были эксперименты на изолированных органах, или так называемые острые опыты. При этом, чтобы получить доступ к какому-либо внутреннему органу или системе, физиолог должен был заниматься вивисекцией (живосечением).

Животное привязывали к станку и производили сложную и болезненную операцию.

Это был тяжелый труд, но иного способа проникнуть в глубь организма наука не знала.

Дело было не только в моральной стороне проблемы. Жестокие пытки, невыносимые страдания, которым подвергался организм, грубо нарушали нормальный ход физиологических явлений и не позволяли понять сущность процессов, протекающих в естественных условиях, в норме. Существенно не помогло и применение наркоза, а также других методов обезболивания. Фиксация животного, воздействие наркотических веществ, операция, кровопотеря — все это совершенно меняло и нарушало нормальное течение жизнедеятельности. Образовался заколдованный круг. Чтобы исследовать тот или иной процесс или функцию внутреннего органа либо системы, нужно было проникнуть в глубь, организма, а сама попытка такого проникновения нарушала течение процессов жизнедеятельности, для изучения которых и предпринимался опыт. Кроме того, исследование изолированных органов не давало представления об их истинной функции в условиях целостного неповрежденного организма.

Метод хронического эксперимента. Величайшей заслугой русской науки в истории физиологии стало то, что один из самых талантливых и ярких ее представителей И. П.

Павлов сумел найти выход из этого тупика. И. П. Павлов очень болезненно переживал недостатки аналитической физиологии и острого эксперимента. Он нашел способ, позволяющий заглянуть в глубь организма, не нарушая его целостности. Это был метод хронического эксперимента, проводимого на основе «физиологической хирургии».

На наркотизированном животном, в условиях стерильности и соблюдения правил хирургической техники предварительно проводилась сложная операция, позволявшая получить доступ к тому или иному внутреннему органу, проделывалось «окошечко» в полый орган, вживлялась фистульная трубка или выводился наружу и подшивался к коже проток железы. Сам опыт начинался много дней спустя, когда рана заживала, животное выздоравливало и по характеру течения физиологических процессов практически ничем не отличалось от нормального здорового. Благодаря наложенной фистуле можно было длительно изучать течение тех или иных физиологических процессов в естественных условиях поведения.

ФИЗИОЛОГИЯ ЦЕЛОСТНОГО ОРГАНИЗМА

Общеизвестно, что наука развивается в зависимости от успехов методик.

Павловская методика хронического эксперимента создала принципиально новую науку— физиологию целостного организма, синтетическую физиологию, которая смогла выявить влияние внешней среды на физиологические процессы, обнаружить изменения функций различных органов и систем для обеспечения жизни организма в различных условиях.

С появлением современных технических средств исследования процессов жизнедеятельности стало возможным изучать без предварительных хирургических операций функции многих внутренних органов не только у животных, но и у человека. «Физиологическая хирургия» как методический прием в ряде разделов физиологии оказалась вытесненной современными методами бескровного эксперимента. Но дело не в том или ином конкретном техническом приеме, а в методологии физиологического мышления. И. П. Павлов создал новую методологию, и физиология развивалась как синтетическая наука и ей органически стал присущ системный подход.

Целостный организм неразрывно связан с окружающей его внешней средой, и поэтому, как писал еще И. М. Сеченов, в научное определение организма должна входить и среда, влияющая на него. Физиология целостного организма изучает не только внутренние механизмы саморегуляции физиологических процессов, но и механизмы, обеспечивающие непрерывное взаимодействие и неразрывное единство организма с окружающей средой.

Регуляция процессов жизнедеятельности, равно как и взаимодействия организма с окружающей средой, осуществляется на основе принципов, общих для процессов регулирования в машинах и на автоматизированных производствах. Изучает эти принципы и законы особая область науки — кибернетика.

Физиология и кибернетика Кибернетика (от греч. kybernetike — искусство управления) — наука об управлении автоматизированными процессами. Процессы управления, как известно, осуществляются путем сигналов, несущих определенную информацию. В организме такими сигналами являются нервные импульсы, имеющие электрическую природу, а также различные химические вещества.

Кибернетика изучает процессы восприятия, кодирования, переработки, хранения и воспроизведения информации. В организме для этих целей существуют специальные приборы и системы (рецепторы, нервные волокна, нервные клетки и т.д.).

Технические кибернетические устройства позволили создать модели, воспроизводящие некоторые функции нервной системы. Однако работа мозга в целом такому моделированию еще не поддается, и необходимы дальнейшие исследования.

Союз кибернетики и физиологии возник всего лишь три десятка лет назад, но за это время математический и технический арсенал современной кибернетики обеспечил значительные успехи изучения и моделирования физиологических процессов.

Математика и вычислительная техника в физиологии. Одновременная (синхронная) регистрация физиологических процессов позволяет производить количественный анализ их и изучать взаимодействие между различными явлениями. Для этого необходимы точные математические методы, использование которых также знаменовало новую важную ступень в развитии физиологии. Математизация исследований позволяет использовать в физиологии электронно-вычислительные машины. Это не только увеличивает скорость обработки информации, но и дает возможность производить такую обработку непосредственно в момент эксперимента, что позволяет менять его ход и задачи самого исследования в соответствии с получаемыми результатами.

Таким образом, как бы завершился виток спирали в развитии физиологии. На заре возникновения этой науки исследование, анализ и оценка результатов производились экспериментатором одновременно в процессе наблюдения, непосредственно во время самого эксперимента. Графическая регистрация позволила разделить эти процессы во времени и обрабатывать и анализировать результаты после окончания эксперимента.

Радиоэлектроника и кибернетика сделали возможным вновь соединить анализ и обработку результатов с проведением самого опыта, но на принципиально иной основе: одновременно исследуется взаимодействие множества различных физиологических процессов и количественно анализируются результаты такого взаимодействия. Это позволило проводить так называемый управляемый автоматический эксперимент, в котором вычислительная машина помогает исследователю не просто анализировать результаты, но и менять ход опыта и постановку задач, равно как и типы воздействия на организм, в зависимости от характера реакций организма, возникающих непосредственно в ходе опыта. Физика, математика, кибернетика и другие точные науки перевооружили физиологию и предоставили врачу могучий арсенал современных технических средств для точной оценки функционального состояния организма и для воздействия на организм.

Математическое моделирование в физиологии. Знание физиологических закономерностей и количественных взаимоотношений между различными физиологическими процессами позволило создать их математические модели. С помощью таких моделей воспроизводят эти процессы на электронно-вычислительных машинах, исследуя различные варианты реакций, т.е. возможных будущих их изменений при тех или иных воздействиях на организм (лекарства, физические факторы или экстремальные условия окружающей среды). Уже сейчас союз физиологии и кибернетики оказался полезным при проведении тяжелых хирургических операций и в других чрезвычайных условиях, требующих точной оценки как текущего состояния важнейших физиологических процессов организма, так и предвидения возможных изменений. Такой подход позволяет значительно повысить надежность «человеческого фактора» в трудных и ответственных звеньях современного производства.

Физиология XX в. имеет существенные успехи не только в области раскрытия механизмов процессов жизнедеятельности и управления этими процессами. Она осуществила прорыв в самую сложную и таинственную область — в область психических явлений.

Физиологическая основа психики — высшая нервная деятельность человека и животных стала одним из важных объектов физиологического исследования.

ОБЪЕКТИВНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

На протяжении тысячелетий было принято считать, что поведение человека определяется влиянием некой нематериальной сущности («души»), познать которую физиолог не в силах.

И. М. Сеченов был первым из физиологов мира, который рискнул представить поведение на основе принципа рефлекса, т.е. на основе известных в физиологии механизмов нервной деятельности. В своей знаменитой книге «Рефлексы головного мозга» он показал, что сколь бы сложными ни казались нам внешние проявления психической деятельности человека, они рано или поздно сводятся лишь к одному — мышечному движению.

«Улыбается ли ребенок при виде новой игрушки, смеется ли Гарибальди, когда его гонят за излишнюю любовь к родине, выдумывает ли Ньютон мировые законы и пишет их на бумаге, дрожит ли девушка при мысли о первом свидании, всегда конечным итогом мысли является одно — мышечное движение», — писал И. М, Сеченов.

Разбирая становление мышления ребенка, И. М. Сеченов шаг за шагом показал, что это мышление формируется в результате воздействий внешней среды, сочетающихся между собой в различных комбинациях, вызывающих образование разных ассоциаций.

Наше мышление (духовная жизнь) закономерно формируется под влиянием окружающих условий и мозг представляет собой орган, накапливающий и отражающий эти влияния. Какими бы сложными ни казались нам проявления нашей психической жизни, наш внутренний психологический склад — закономерный итог условий воспитания, воздействий окружающей среды. На 999/1000 психическое содержание человека зависит от условий воспитания, влияний среды в широком смысле слова,— писал И. М. Сеченов, — и лишь, на 1/1000 оно определяется врожденными факторами. Таким образом, на самую сложную область жизненных явлений, на процессы духовной жизни человека был впервые распространен принцип детерминизма — основной принцип материалистического мировоззрения. И. М. Сеченов писал, что когда-нибудь физиолог научится анализировать внешние проявления мозговой деятельности так же точно, как физик умеет анализировать музыкальный аккорд. Книга И. М. Сеченова была гениальным творением, утверждающим материалистические позиции в самых сложных сферах духовной жизни человека.

Сеченовская попытка обосновать механизмы мозговой деятельности была чисто теоретической попыткой. Необходим был следующий шаг — экспериментальные исследования физиологических механизмов, лежащих в основе психической деятельности и поведенческих реакций. И этот шаг был сделан И. П. Павловым.

То, что именно И. П. Павлов, а не ктонибудь иной стал наследником идей И. М. Сеченова и первым проник в основные тайны работы высших отделов мозга, не случайно. К этому привела логика проводимых им экспериментальных физиологических исследований. Изучая процессы жизнедеятельности в организме в условиях естественного поведения животного, И.

П. Павлов обратил внимание на важную роль психических факторов, влияющих на все физиологические процессы. От наблюдательности И. П. Павлова не ускользнул тот факт, что слюна, И. М. СЕЧЕНОВ желудочный сок и другие пищеварительные соки начинают выделяться у животного не только в момент еды, а задолго до еды, при виде еды, звуке шагов служителя, который обычно кормит животное. И. П. Павлов обратил внимание на то, что аппетит, страстное желание еды является столь же мощным сокоотделительным агентом, как и сама еда. Аппетит, желание, настроение, переживания, чувства — все это были психические явления. До И. П. Павлова физиологами они не изучались. И. П. Павлов же увидел, что игнорировать эти явления физиолог не вправе, так как они властно вмешиваются в течение физиологических процессов, меняя их характер. Поэтому физиолог обязан был их изучать. Но как? До И. П. Павлова эти явления рассматривались наукой, которая называется зоопсихология.

Обратившись к этой науке, И. П. Павлов должен был отойти от твердой почвы физиологических фактов и войти в область бесплодных и беспочвенных гаданий относительно кажущегося психического состояния животных. Для объяснения поведения человека правомерны методы, используемые в психологии, ибо человек всегда может сообщить о своих чувствах, настроениях, переживаниях и т.д. Зоопсихологи слепо переносили на животных данные, полученные при обследовании человека, и также говорили о «чувствах», «настроениях», «переживаниях», «желаниях» и т.д. у животного, не имея возможности проверить, так это или нет. Впервые в павловских лабораториях по поводу механизмов одних и тех же фактов возникало столько мнений, сколько наблюдателей видело эти факты. Каждый из них трактовал их по-своему, и не было возможности проверить правильность любой из трактовок. И. П. Павлов понял, что подобные трактовки бессмысленны и поэтому сделал решительный, поистине революционный шаг. Не пытаясь гадать о тех или иных внутренних психических состояниях животного, он начал изучать поведение животного объективно, сопоставляя те или иные воздействия на организм с ответными реакциями организма. Этот объективный метод позволил выявить законы, лежащие в основе поведенческих реакций организма.

Метод объективного изучения поведенческих реакций создал новую науку — физиологию высшей нервной деятельности с ее точным знанием процессов, происходящих в нервной системе при тех или иных воздействиях внешней среды. Эта наука много дала для понимания сущности механизмов психической деятельности человека.

Созданная И. П. Павловым физиология высшей нервной деятельности стала естественнонаучной основой психологии. Она стала естественнонаучной основой ленинской теории отражения, имеет важнейшее значение в философии, медицине, педагогике и во всех тех науках, которые так или иначе сталкиваются с необходимостью изучать внутренний (духовный) мир человека.

Значение физиологии высшей нервной деятельности для медицины. Учение И. П.

Павлова о высшей нервной деятельности имеет огромное практическое значение. Известно, что больного излечивают не только лекарства, скальпель или процедура, но и слово врача, доверие к нему, страстное желание выздороветь. Все эти факты были известны еще Гиппократу и Авиценне. Однако на протяжении тысячелетий они воспринимались как доказательство существования могучей, «данной богом души», подчиняющей себе «бренное тело». Учение И. П. Павлова сорвало покров таинственности с этих фактов.

Стало ясно, что казавшееся волшебным воздействие талисманов, колдуна или заклинаний шамана представляет собой не что иное, как пример влияния высших отделов мозга на внутренние органы и регуляцию всех процессов жизнедеятельности. Характер этого влияния определяется воздействием на организм окружающих условий, важнейшим из которых для человека являются социальные условия — в частности обмен мыслями в человеческом обществе с помощью слова. И. П. Павлов впервые в истории науки показал, что сила слова в том, что слова и речь представляют собой особую систему сигналов, присущую лишь человеку, закономерно изменяющую поведение, психический статус. Павловское учение изгнало идеализм из самого последнего, казалось бы, неприступного убежища — представления о данной богом «душе». Оно вложило в руки врача могучее оружие, дав ему возможность правильно пользоваться словом, показав важнейшую роль морального воздействия на больного для успеха лечения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И. П. Павлова с полным правом можно считать основателем современной физиологии целостного организма. Крупный вклад в ее развитие внесли и другие выдающиеся советские физиологи. А. А. Ухтомский создал учение о доминанте как об основном принципе деятельности центральной нервной системы (ЦНС). Л. А. Орбели основал эволюЛ. Л. ОРБЕЛИ ционную физиологию. Ему принадлежат основополагающие работы об адаптационнотрофической функции симпатической нервной системы. К. М. Быков выявил наличие условнорефлскторной регуляции функций внутренних органов, показав, что вегетативные функции не являются автономными, что они подчинены влияниям высших отделов центральной нервной системы и могут изменяться под действием условных сигналов. Для человека важнейшим условным сигналом является слово. Этот сигнал способен изменять деятельность внутренних органов, что имеет важнейшее значение для медицины (психотерапии, деонтологии и т. д.).

П. К. Анохин разработал учение о функциональной системе — универсальной схеме регуляции физиологических процессов и поведенческих реакций в физиологии нервно-мышечной и центральной нервной систем. Л. С. Штерн — автор учения о гематоэнцефалогическом барьере и гистогематических барьерах — регуляторах непосредственной внутренней крупные открытия в области регуляции сердечно-сосудистой системы (рефлекс Ларина). Он является радиоэлектроники, кибернетики, математики. Э. А. Асратян создал учение о механизмах компенсации нарушенных функций. Он автор ряда фундаментальных (1903—1971) создании искусственного сердца (А. А. Брюхоненко), космическая физиология, физиология труда, физиология спорта, исследовании физиологических механизмов адаптации, регуляции и внутренних механизмов осуществления многих физиологических функций. Эти и многие другие исследования имеют первостепенное значение для медицины.

Знание процессов жизнедеятельности, осуществляющихся в различных органах и тканях, механизмов регуляции жизненных явлений, понимание сущности физиологических функций организма и процессов, осуществляющих взаимодействие его с окружающей средой, представляют собой фундаментальную теоретическую основу, на которой базируется подготовка будущего врача.

Раздел I

ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Каждая из ста триллионов клеток организма человека отличается чрезвычайно сложной структурой, способностью к самоорганизации и многостороннему взаимодействию с другими клетками. Число процессов, осуществляемых каждой клеткой, и количество перерабатываемой при этом информации намного превосходят то, что сегодня имеет место на каком-нибудь крупном производственном комбинате. Тем не менее клетка представляет собой лишь одну из сравнительно элементарных подсистем в сложной иерархии систем, формирующих живой организм.

Все эти системы являются в высшей степени упорядоченными. Нормальная функциональная структура любой из них и нормальное существование каждого элемента системы (в том числе каждой клетки) возможны благодаря непрерывному обмену информацией между элементами (и между клетками).

Обмен информацией происходит посредством прямого (контактного) взаимодействия между клетками, в результате транспорта веществ с тканевой жидкостью, лимфой и кровью (гуморальная связь — от лат. humor — жидкость), а также при передаче от клетки к клетке биоэлектрических потенциалов, что представляет самый быстрый способ передачи информации в организме. У многоклеточных организмов развилась специальная система, обеспечивающая восприятие, передачу, хранение, переработку и воспроизведение информации, закодированной в электрических сигналах. Это — нервная система, достигшая у человека наивысшего развития. Чтобы понять природу биоэлектрических явлений, т. е. сигналов, при помощи которых нервная система осуществляет передачу информации, необходимо прежде всего рассмотреть некоторые стороны общей физиологии так называемых возбудимых тканей, к которым относятся нервная, мышечная и железистая ткани.

ФИЗИОЛОГИЯ ВОЗБУДИМЫХ ТКАНЕЙ

Все живые клетки обладают раздражимостью, т. е. способностью под влиянием определенных факторов внешней или внутренней среды, так называемых раздражителей, переходить из состояния физиологического покоя в состояние активности. Однако термин «возбудимые клетки» применяют лишь по отношению к нервным, мышечным и секреторным клеткам, способным в ответ на действие раздражителя генерировать специализированные формы колебаний электрического потенциала.

Первые данные о существовании биоэлектрических явлений («животное электричество») были получены в третьей четверти XVIII в. при. изучении природы электрического разряда, наносимого некоторыми рыбами при защите и нападении. Многолетний научный спор (1791 —1797) между физиологом Л. Гальвани и физиком А. Вольта о природе «животного электричества» завершился двумя крупными открытиями: были установлены факты, свидетельствующие о наличии электрических потенциалов в нервной и мышечной тканях, и открыт новый способ получения электрического тока при помощи разнородных металлов — создан гальванический элемент («вольтов столб»). Однако первые прямые измерения потенциалов в живых тканях стали возможны только после изобретения гальванометров. Систематическое исследование потенциалов в мышцах и нервах в состоянии покоя и возбуждения было начато Дюбуа-Реймоном (1848). Дальнейшие успехи в изучении биоэлектрических явлений были тесно связаны с усовершенствованием техники регистрации быстрых колебаний электрического потенциала (струнные, шлейфные и катодные осциллографы) и методов их отведения от одиночных возбудимых клеток. Качественно новый этап в изучении электрических явлений в живых тканях — 40—50-е годы нашего века. С помощью внутриклеточных микроэлектродов удалось произвести прямую регистрацию электрических потенциалов клеточных мембран. Успехи электроники позволили разработать методы изучения ионных токов, протекающих через мембрану при изменениях мембранного потенциала или при действии на мембранные рецепторы биологически активных соединений. В последние годы разработан метод, позволяющий регистрировать ионные токи, протекающие через одиночные ионные каналы.

Различают следующие основные виды электрических ответов возбудимых клеток:

локальный ответ; распространяющийся потенциал действия и сопровождающие его следовые потенциалы; возбуждающие и тормозные постсинаптические потенциалы; генераторные потенциалы и др. В основе всех этих колебаний потенциала лежат обратимые изменения проницаемости клеточной мембраны для определенных ионов. В свою очередь изменение проницаемости является следствием открывания и закрывания существующих в клеточной мембране ионных каналов под влиянием действующего раздражителя.

Энергия, используемая при генерации электрических потенциалов, запасена в покоящейся клетке в виде градиентов концентраций ионов Na+, Ca2+, К+, С1~ по обе стороны поверхностной мембраны. Указанные градиенты создаются и поддерживаются работой специализированных молекулярных устройств, так называемых мембранных ионных насосов. Последние используют для своей работы энергию обмена веществ, выделяющуюся при ферментативном расщеплении универсального клеточного донатора энергии — аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ).

Изучение электрических потенциалов, сопровождающих процессы возбуждения и торможения в живых тканях, имеет важное значение как для понимания природы этих процессов, так и для выявления характера нарушений деятельности возбудимых клеток при различных видах патологии.

В современной клинике особенно широкое распространение получили методы регистрации электрических потенциалов сердца (электрокардиография), мозга (электроэнцефалография) и мышц (электромиография).

ПОТЕНЦИАЛ ПОКОЯ

Термином «мембранный потенциал» (потенциал покоя) принято называть трансмембранную разность потенциалов; существующую между цитоплазмой и окружающим клетку наружным раствором. Когда клетка (волокно) находится в состоянии физиологического покоя, ее внутренний потенциал отрицателен по отношению к наружному, условно принимаемому за нуль. У различных клеток мембранный потенциал варьирует от —50 до —90 мВ.

Чтобы измерить потенциал покоя и проследить его изменения, вызываемые тем или иным воздействием на клетку, применяют технику внутриклеточных микроэлектродов (рис. 1 ).

Микроэлектрод представляет собой микропипетку, т. е. тонкий капилляр, вытянутый из стеклянной трубочки. Диаметр его кончика около 0,5 мкм. Микроиипетку заполняют солевым раствором (обычно 3 М К.С1), погружают в него металлический электрод (хлорированную серебряную проволочку) и соединяют с электроизмерительным прибором — осциллографом, снабженным усилителем постоянного тока.

Микроэлектрод устанавливают над исследуемым объектом, например скелетной мышцей, а затем при помощи микроманипулятора — прибора, снабженного микрометрическими винтами, вводят внутрь клетки. Электрод обычных размеров погружают в нормальный солевой раствор, в котором находится исследуемая ткань.

Как только микроэлектрод прокалывает поверхностную мембрану клетки, луч осциллографа сразу же отклоняется от своего исходного (нулевого) положения, обнаруживая тем самым существование разности потенциалов между поверхностью и содержимым клетки. Дальнейшее продвижение микроэлектрода внутри протоплазмы на положении луча осциллографа не сказывается. Это свидетельствует о том, что потенциал действительно локализуется на клеточной мембране.

При удачном введении микроэлектрода мембрана плотно охватывает его кончик и клетка сохраняет способность функционировать в течение нескольких часов, не проявляя признаков повреждения.

Существует множество факторов, меняющих потенциал покоя клеток: приложение электрического тока, изменение ионного состава среды, воздействие некоторых токсинов, нарушение кислородного снабжения ткани и т. д. Во всех тех случаях, когда внутренний потенциал уменьшается (становится менее отрицательным), говорят о деполяризации мембраны; противоположный сдвиг потенциала (увеличение отрицательного заряда внутренней поверхности клеточной мембраны) называют гиперполяризацией.

ПРИРОДА ПОТЕНЦИАЛА ПОКОЯ

Еще в 1896 г. В. Ю. Чаговец высказал гипотезу об ионном механизме электрических потенциалов в живых клетках и сделал попытку применить для их объяснения теорию электролитической диссоциации Аррениуса. В 1902 г. Ю. Бернштей-ном была развита мембранно-ионная теория, которую модифицировали и экспериментально обосновали Ходжкин, Хаксли и Катц (1949—1952). В настоящее время последняя теория пользуется всеобщим признанием. Согласно указанной теории, наличие электрических потенциалов в живых клетках обусловлено неравенством концентрации ионов Na+, K +, Са2+ и С1~ внутри и вне клетки и различной проницаемостью для них поверхностной мембраны.

Из данных табл. 1 видно, что содержимое нервного волокна богато К+ и органическими анионами (практически не проникающими через мембрану) и бедно Na+ и С1~.

Концентрация К+ в цитоплазме нервных и мышечных клеток в 40—50 раз выше, чем в наружном растворе, и если бы мембрана в покое была проницаема только для этих ионов, то потенциал покоя соответствовал бы равновесному калиевому потенциалу (Ек), рассчитанному по формуле Нернста:

где R — газовая постоянная, F — число Фарадея, Т — абсолютная температура, Ко — концентрация свободных ионов калия в наружном растворе, Ki — их концентрация в цитоплазме Чтобы понять, каким образом возникает этот потенциал, рассмотрим следующий модельный опыт (рис. 2 ).

Представим сосуд, разделенный искусственной полупроницаемой мембраной. Стенки пор этой мембраны заряжены электроотрицательно, поэтому они пропускают только катионы и непроницаемы для анионов. В обе половины сосуда налит солевой раствор, содержащий ионы К+, однако их концентрация в правой части сосуда выше, чем в левой. Вследствие этого концентрационного градиента ионы К+ начинают диффундировать из правой половины сосуда в левую, принося туда свой положительный заряд. Это приводит к тому, что непроникающие анионы начинают скапливаться у мембраны в правой половине сосуда. Своим отрицательным зарядом они электростатически будут удерживать К+ у поверхности мембраны в левой половине сосуда. В результате мембрана поляризуется, и между двумя ее поверхностями создается разность потенциалов, соответствующая равновесному калиевому потенциалу Предположение о том, что в состоянии покоя мембрана нервных и мышечных волокон избирательно проницаема для К+ и что именно их диффузия создает потенциал покоя, было высказано Бернштейном еще в 1902 г. и подтверждено Ходжкиным с сотр. в 1962 г. в опытах на изолированных гигантских аксонах кальмара. Из волокна диаметром около 1 мм осторожно выдавливали цитоплазму (аксоплазму) и спавшуюся оболочку заполняли искусственным солевым раствором. Когда концентрация К+ в растворе была близка к внутриклеточной, между внутренней и наружной сторонами мембраны устанавливалась разность потенциалов, близкая к значению нормального потенциала покоя (—50-=--- 80 мВ), и волокно проводило импульсы. При уменьшении внутриклеточной и повышении наружной концентрации К.+ потенциал мембраны уменьшался или даже изменялся его знак (потенциал становился положительным, если в наружном растворе концентрация К+ была выше, чем во внутреннем).

Такие опыты показали, что концентрированный градиент К+ действительно является основным фактором, определяющим величину потенциала покоя нервного волокна. Однако покоящаяся мембрана проницаема не только для К+, но (правда, в значительно меньшей степени) и для Na+. Диффузия этих положительно заряженных ионов внутрь клетки уменьшает абсолютную величину внутреннего отрицательного потенциала клетки, создаваемого диффузией К+. Поэтому потенциал покоя волокон (—50 - 70 мВ) менее отрицателен, чем рассчитанный по формуле Нернста калиевый равновесный потенциал.

Ионы С1~ в нервных волокнах не играют существенной роли в генезе потенциала покоя, поскольку проницаемость для них покоящейся мембраны относительно мала. В отличие от этого в скелетных мышечных волокнах проницаемость покоящейся мембраны для ионов хлора сравнима с калиевой, и потому диффузия С1~ внутрь клетки увеличивает значение потенциала покоя. Рассчитанный хлорный равновесный потенциал (Еcl) при соотношении Таким образом, величина потенциала покоя клетки определяется двумя основными факторами: а) соотношением концентраций проникающих через покоящуюся поверхностную мембрану катионов и анионов; б) соотношением проницаемостей мембраны для этих ионов.

Для количественного описания этой закономерности используют обычно уравнение Гольдмана — Ходжкина — Катца:

где Em — потенциал покоя, Рк, PNa, Pcl — проницаемости мембраны для ионов К+, Na+ и С1~ соответственно; K0+ Na0+; Cl0- — наружные концентрации ионов К+, Na+ и Сl- a Ki+ Nai+ и Cli- — их внутренние концентрации.

Было рассчитано, что в изолированном гигантском аксоне кальмара при Em = —50 мВ имеется следующее соотношение между ионными проницаемостями покоящейся мембраны:

Уравнение дает объяснение многим наблюдаемым в эксперименте и в естественных условиях изменениям потенциала покоя клетки, например ее стойкой деполяризации при действии некоторых токсинов, вызывающих повышение натриевой проницаемости мембраны. К таким токсинам относятся растительные яды: вератридин, аконитин и один из наиболее сильных нейротоксинов — батрахотоксин, продуцируемый кожными железами колумбийских лягушек.

Деполяризация мембраны, как это следует из уравнения, может возникать и при неизменной PNA, если повысить наружную концентрацию ионов К+ (т. е. увеличить отношение Ko/Ki). Такое изменение потенциала покоя является отнюдь не только лабораторным феноменом. Дело в том, что концентрация К+ в межклеточной жидкости заметно повышается во время активации нервных и мышечных клеток, сопровождающейся повышением Рк. Особенно значительно возрастает концентрация К+ в межклеточной жидкости при нарушениях кровоснабжения (ишемия) тканей, например ишемии миокарда. Возникающая при этом деполяризация мембраны приводит к прекращению генерации потенциалов действия, т. е. нарушению нормальной электрической активности клеток.

РОЛЬ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ В ГЕНЕЗЕ

И ПОДДЕРЖАНИИ ПОТЕНЦИАЛА ПОКОЯ

(НАТРИЕВЫЙ НАСОС МЕМБРАН Ы)

Несмотря на то что потоки Na+ и К+ через мембрану в покое малы, разность концентраций этих ионов внутри клетки и вне ее должна была бы в конечном итоге выровняться, если бы в клеточной мембране не существовало особого молекулярного устройства — «натриевого насоса», которое обеспечивает выведение («выкачивание») из цитоплазмы проникающих в нее Na+ и введение («нагнетание») в цитоплазму К+. Натриевый насос перемещает Na+ и К+ против их концентрационных градиентов, т. е. совершает определенную работу. Непосредственным источником энергии для этой работы является богатое энергией (макроэргическое) соединение — аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), являющаяся универсальным источником энергии живых клеток. Расщепление АТФ производится макромолекулами белка — ферментом аденозинтрифосфатазой (АТФ-азой), локализованной в поверхностной мембране клетки. Энергия, выделяющаяся при расщеплении одной молекулы АТФ, обеспечивает выведение из клетки трех ионов Na + взамен на два иона К +, поступающих в клетку снаружи.

Торможение активности АТФ-азы, вызываемое некоторыми химическими соединениями (например, сердечным гликозидом уабаином), нарушает работу насоса, вследствие чего клетка теряет К+ и обогащается Na +. К такому же результату приводит торможение окислительных и гликолитических процессов в клетке, обеспечивающих синтез АТФ. В эксперименте это достигается при помощи ядов, ингибирующих указанные процессы. В условиях нарушения кровоснабжения тканей, ослабления процесса тканевого дыхания происходит угнетение работы электрогенного насоса и как следствие накопление К+ в межклеточных щелях и деполяризация мембраны.

Роль АТФ в механизме активного транспорта Na+ прямо доказана в опытах на гигантских нервных волокнах кальмара. Было установлено, что путем введения внутрь волокна АТФ можно временно восстановить работу натриевого насоса, нарушенную ингибитором дыхательных ферментов цианидом.

Первоначально полагали, что натриевый насос электронейтрален, т. е. число обмениваемых ионов Na+ и К+ равно. В дальнейшем выяснилось, что на каждые три иона Na+, выводимые из клетки, в клетку поступает только два иона К+. Это означает, что насос электрогенен: он создает на мембране разность потенциалов, суммирующуюся с потенциалом покоя.

Этот вклад натриевого насоса в нормальную величину потенциала покоя у различных клеток не одинаков: он, по-видимому, незначителен в нервных волокнах кальмара, но существен для потенциала покоя (составляет около 25% от полной величины) в гигантских нейронах моллюсков, гладких мышцах.

Таким образом, в формировании потенциала покоя натриевый насос играет двоякую роль: 1) создает и поддерживает трансмембранный градиент концентраций Na+ и К+; 2) генерирует разность потенциалов, суммирующуюся с потенциалом, создаваемым диффузией К+ по концентрационному градиенту.

ПОТЕНЦИАЛ ДЕЙСТВИЯ

Потенциалом действия называют быстрое колебание мембранного потенциала, возникающее при возбуждении нервных, мышечных и некоторых других клеток. В его основе лежат изменения ионной проницаемости мембраны. Амплитуда и характер временных изменений потенциала действия мало зависят от силы вызывающего его раздражителя, важно лишь, чтобы эта сила была не меньше некоторой критической величины, которая называется порогом раздражения. Возникнув в месте раздражения, потенциал действия распространяется вдоль нервного или мышечного волокна, не изменяя своей амплитуды.

Наличие порога и независимость амплитуды потенциала действия от силы вызвавшего его стимула получили название закона «все или ничего».

В естественных условиях потенциалы действия генерируются в нервных волокнах при раздражении рецепторов или возбуждении нервных клеток. Распространение потенциалов действия по нервным волокнам обеспечивает передачу информации в нервной системе. Достигнув нервных окончаний, потенциалы действия вызывают секрецию химических веществ (медиаторов), обеспечивающих передачу сигнала на мышечные или нервные клетки. В мышечных клетках потенциалы действия инициируют цепь процессов, вызывающих сократительный акт. Ионы, проникающие в цитоплазму во время генерации потенциалов действия, оказывают регулирующее влияние на метаболизм клетки и, в частности, на процессы синтеза белков, составляющих ионные каналы и ионные насосы.

Для регистрации потенциалов действия используют вне- или внутриклеточные электроды. При внеклеточном отведении электроды подводят к наружной поверхности волокна (клетки). Это позволяет обнаружить, что поверхность возбужденного участка на очень короткое время (в нервном волокне на тысячную долю секунды) становится заряженной отрицательно по отношению к соседнему покоящемуся участку.

Использование внутриклеточных микроэлектродов позволяет количественно охарактеризовать изменения мембранного потенциала во время восходящей и нисходящей фаз потенциала действия. Установлено, что во время восходящей фазы (фаза деполяризации) происходит не просто исчезновение потенциала покоя (как это первоначально предполагали), а возникает разность потенциалов обратного знака: внутреннее содержимое клетки становится заряженным положительно по отношению к наружной среде, иными словами, происходит реверсия мембранного потенциала. Во время нисходящей фазы (фазы реполяризации) мембранный потенциал возвращается к своему исходному значению. На рис. 3 и 4 приведены примеры записей потенциалов действия в скелетном мышечном волокне лягушки и гигантском аксоне кальмара. Видно, что в момент достижения вершины (пика) мембранный потенциал составляет + 30 / + 40 мВ и пиковое колебание сопровождается длительными следовыми изменениями мембранного потенциала, после чего мембранный потенциал устанавливается на исходном уровне. Длительность пика потенциала действия у различных нервных и скелетных мышечных волокон варьиРис. 5. Суммация следовых потенциалов в диафрагмальном нерве кошки при кратковременном его зависимости от температуры: при охлаждении на 10 °С продолжительность пика увеличивается примерно в 3 раза.

Изменения мембранного потенциала, следующие за пиком потенциала действия, называют следовыми потенциалами.

Различают два вида следовых потенциалов — следовую деполяризацию и следовую гиперполяризацию. Амплитуда следовых потенциалов обычно не превышает нескольких милливольт (5—10% от высоты пика), а длительность их у различных волокон составляет от нескольких миллисекунд до десятков и сотен секунд.

Зависимость пика потенциала действия и следовой деполяризации может быть рассмотрена на примере электрического ответа скелетного мышечного волокна. Из записи, приведенной на рис. 3, видно, что нисходящая фаза потенциала действия (фаза реполяризации) делится на две неравные части. Вначале падение потенциала происходит быстро, а затем сильно замедляется. Этот медленный компонент нисходящей фазы потенциала действия называют следовой деполяризацией.

Пример следовой гиперполяризации мембраны, сопровождающей пик потенциала действия в одиночном (изолированном) гигантском нервном волокне кальмара, показан на рис. 4. В этом случае нисходящая фаза потенциала действия непосредственно переходит в фазу следовой гиперполяризации, амплитуда которой в данном случае достигает 15 мВ. Следовая гиперполяризация характерна для многих безмякотных нервных волокон холоднокровных и теплокровных животных. В миелинизированных нервных волокнах следовые потенциалы имеют более сложный характер. Следовая деполяризация может переходить в следовую гиперполяризацию, затем иногда возникает новая деполяризация, лишь после этого происходит полное восстановление потенциала покоя. Следовые потенциалы в значительно большей мере, чем пики потенциалов действия, чувствительны к изменениям исходного потенциала покоя, ионного состава среды, кислородного снабжения волокна и т. д.

Характерная особенность следовых потенциалов — их способность изменяться в процессе ритмической импульсации (рис. 5).

ИОННЫЙ МЕХАНИЗМ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПОТЕНЦИАЛА ДЕЙСТВИЯ

В основе потенциала действия лежат последовательно развивающиеся во времени изменения ионной проницаемости клеточной мембраны.

Как отмечалось, в состоянии покоя проницаемость мембраны для калия превышает ее проницаемость для натрия. Вследствие этого поток К.+ из цитоплазмы во внешний раствор превышает противоположно направленный поток Na+. Поэтому наружная сторона мембраны в покое имеет положительный потенциал по отношению к внутренней.

При действии на клетку раздражителя проницаемость мембраны для Na+ резко повышается и в конечном итоге становится примерно в 20 раз больше проницаемости для К+. Поэтому поток Na+ из внешнего раствора в цитоплазму начинает превышать направленный наружу калиевый ток. Это приводит к изменению знака (реверсии) мембранного потенциала: внутреннее содержимое клетки становится заряженным положительно по отношению к ее наружной поверхности. Указанное изменение мембранного потенциала соответствует восходящей фазе потенциала действия (фаза деполяризации).

Повышение проницаемости мембраны для Na+ продолжается лишь очень короткое время. Вслед за этим проницаемость мембраны для Na+ вновь понижается, а для К + возрастает.

Процесс, ведущий к понижению ранее Рис. 6. Временной ход изменений натриевой (g ) увеличенной натриевой проницаемости и калиевой (gк) проницаемости мембраны гигантмембраны, назван натриевой инактивацией. ского аксона кальмара во время генерации потенВ результате инактивации поток Na+ внутрь циала действия (V).

цитоплазмы резко ослабляется. Увеличение же калиевой проницаемости вызывает усиление потока К+ из цитоплазмы во внешний раствор. В итоге этих двух процессов и происходит реполяризация мембраны: внутреннее содержимое клетки вновь приобретает отрицательный заряд по отношению к наружному раствору. Этому изменению потенциала соответствует нисходящая фаза потенциала действия (фаза реполяри-зации).

Одним из важных аргументов в пользу натриевой теории происхождения потенциалов действия был факт тесной зависимости его амплитуды от концентрации Na+ во внешнем растворе.

Опыты на гигантских нервных волокнах, перфузируемых изнутри солевыми растворами, позволили получить прямое подтверждение правильности натриевой теории. Установлено, что при замене аксоплазмы солевым раствором, богатым К+, мембрана волокна не только удерживает нормальный потенциал покоя, но в течение длительного времени сохраняет способность генерировать сотни тысяч потенциалов действия нормальной амплитуды. Если же К+ во внутриклеточном растворе частично заменить на Na+ и тем самым снизить градиент концентрации Na+ между наружной средой и внутренним раствором, амплитуда потенциала действия резко понижается. При полной замене К+ на Na+ волокно утрачивает способность генерировать потенциалы действия.

Эти опыты не оставляют сомнения в том, что поверхностная мембрана действительно является местом возникновения потенциала как в покое, так и при возбуждении. Становится очевидным, что разность концентраций Na+ и К+ внутри и вне волокна является источником электродвижущей силы, обусловливающей возникновение потенциала покоя и потенциала действия.

На рис. 6 показаны изменения натриевой и калиевой проницаемости мембраны во время генерации потенциала действия в гигантском аксоне кальмара. Аналогичные отношения имеют место в других нервных волокнах, телах нервных клеток, а также в скелетных мышечных волокнах позвоночных животных. В скелетных мышцах ракообразных животных и гладких мышцах позвоночных в генезе восходящей фазы потенциала действия ведущую роль играют ионы Са2+. В клетках миокарда начальный подъем потенциала действия связан с повышением проницаемости мембраны для Na+, а плато потенциала действия обусловлено повышением проницаемости мембраны и для ионов Са2+.

О ПРИРОДЕ ИОННОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ МЕМБРАНЫ. ИОННЫЕ КАНАЛЫ

В основе рассмотренных изменений ионной проницаемости мембраны при генерации потенциала действия лежат процессы открывания и закрывания специализированных ионных каналов в мембране, обладающих двумя важнейшими свойствами: 1) избирательностью (селективностью) по отношению к определенным ионам; 2) электровозбудимостью, т. е. способностью открываться и закрываться в ответ на изменения мембранного потенциала. Процесс открывания и закрывания канала имеет вероятностный характер (мембранный потенциал лишь определяет вероятность нахождения канала в открытом или закрытом состоянии).

Так же как ионные насосы, ионные каналы образованы макромолекулами белков, пронизывающими липидный бислой мембраны. Химическая структура этих макромолекул еще на расшифрована, поэтому представления о функциональной организации каналов строятся пока главным образом косвенно — на основании анализа данных, полученных при исследованиях электрических явлений в мембранах и влияния на каналы различных химических агентов (токсинов, ферментов, лекарственных веществ и т. д. ). Принято считать, что ионный канал состоит из собственно транспортной системы и так называемого воротного механизма («ворот»), управляемого электрическим полем мембраны. «Ворота» могут находиться в двух положениях: они полностью закрыты или полностью открыты, поэтому проводимость одиночного открытого канала — постоянная величина.

Суммарная проводимость мембраны для того или иного иона определяется числом одновременно открытых каналов, проницаемых для данного иона.

Это положение может быть записано следующим образом:

где gi — суммарная проницаемость мембраны для внутриклеточного иона; N — общее число соответствующих ионных каналов (в данном участке мембраны); а - -доля открытых каналов; у — проводимость одиночного канала.

По своей селективности электровозбудимые ионные каналы нервных и мышечных клеток подразделяются на натриевые, калиевые, кальциевые, хлорные. Селективность эта не абсолютная:

название канала указывает лишь ион, для которого данный канал наиболее проницаем.

Через открытые каналы ионы движутся по концентрационному и электрическому градиентам. Эти потоки ионов приводят к изменениям мембранного потенциала, что в свою очередь изменяет среднее число открытых каналов и соответственно величину ионных токов и т. д. Такая круговая связь важна для генерации потенциала действия, но она делает невозможным количественную оценку зависимости ионных проводимостей от величины генерируемого потенциала. Для изучения этой зависимости применяется «метод фиксации потенциала». Сущность данного метода состоит в насильственном поддержании мембранного потенциала на любом заданном уровне. Так, подавая на мембрану ток, равный по величине, но обратный по знаку ионному току, проходящему через открытые каналы, и измеряя этот ток при различных потенциалах, исследователи получают возможность проследить зависимость потенциала от ионных проводимостей мемРис.7. Временной ход изменений натриевой (gNa) и калиевой (gK) проницаемости мембраны при деполяризации мембраны аксона на 56 мВ.

а — сплошные линии показывают проницаемость при длительной деполяризации, а пунктирные — при реполяризации мембраны через 0,6 и 6,3 мс; б зависимость пиковой величины натриевой (gNa) и стационарного уровня калиевой ( gK) проницаемости от мембранного потенциала.

Рис. 8. Схематическое изображение электровозбудимого натриевого канала.

Канал ( 1 ) образован макромолекулой белка 2 ), суженная часть которого соответствует «селективному фильтру». В кан але имеют ся а ктивационные (m) и инактивационпые (h) «ворота», которые управ ляютс я электрическим полем мембраны. При потенциале покоя ( а ) наиболее вероятным является положение «закрыто» для активационных ворот и положение «открыто» для инактивационных. Деполяризация мембраны ( б ) приводит к быстрому откр ыванию т-«ворот» и мед ленно му закр ыв анию h-«ворот», поэтому в нача льн ый момент деполяризации обе пары «ворот» оказываются открытыми и через канал могут двигаться ионы в соотв е тс тви и с их кон це нтр ац ион н ыми и эле ктр ич ес к и ми гр ад ие нт а ми. П ри про до лж аю щей с я де по ляри заци и ( и ) инактивационные «ворота» закрываются и канал переходит в состояние инактивации.

браны. Чтобы из общего ионного тока, протекающего через мембрану, выделить его компоненты, соответствующие потокам ионов, например, через натриевые каналы, используют химические агенты, специфически блокирующие все другие каналы. Соответственным образом поступают при измерениях калиевого или кальциевого токов.

На рис. 7 показаны изменения натриевой (gNa) и калиевой (gK) проницаемости мембраны нервного волокна во время фиксированной деполяризации. Как отмечалось, величины gNa и gK отражают число одновременно открытых натриевых или калиевых каналов.

Как видно, gNa быстро, за доли миллисекунды, достигла максимума, а затем медленно начала снижаться до исходного уровня. После окончания деполяризации способность натриевых каналов вновь открываться постепенно восстанавливается в течение десятков миллисекунд.

Для объяснения такого поведения натриевых каналов высказано предположение о существовании в каждом канале двух типов «ворот»

— быстрых активационных и медленных инактивационных. Как следует из названия, начальный подъем gNa связан с открыванием активационных ворот («процесс активации»), последующее падение gNa, во время продолжающейся деполяризации мембраны, --с закрыванием инактивационных ворот («процесс инактивации»).

На рис. 8, 9 схематически изображена организация натриевого канала, облегчающая понимание его функций. Канал имеет наружное и внутреннее расширения («устья») и короткий суженный участок, так называемый селективный фильтр, в котором происходит «отбор» катионов по их размеру и свойствам. Судя по размеру наибольшего проникающего через натриевый канал катиона, отверстие фильтра не меньше 0,3—0, нм. При прохождении через фильтр рис. 9. Состояние натриевых и калиевых ка-ионы Na+ теряют часть своей гидратной оболочки. налов в различные фазы потенциалов дей-Активационные (т) и инактивационные (h) «воро- ствия (схема). Объяснение в тексте.

та* расположены в области внутреннего конца натриевого канала, причем «ворота» h обращены в сторону цитоплазмы. К такому заключению пришли на основании того факта, что приложение некоторых протеолитических ферментов (проназы) к внутренней стороне мембраны приводит к устранению натриевой инактивации (разрушает h-«ворота»).

В состоянии покоя «ворота» т закрыты, тогда как «ворота» h открыты. При деполяризации в начальный момент «ворота» т и h открыты — канал находится в проводящем состоянии. Затем инактивационные ворота закрываются — канал инактивируется. После окончания деполяризации «ворота» h медленно открываются, а «ворота» т быстро закрываются и канал возвращается в исходное покоящееся состояние.

Специфическим блокатором натриевых каналов является тетродотоксин,— соединение, синтезируемое в тканях некоторых видов рыб и саламандр. Это соединение входит в наружное устье канала, связывается с какими-то пока неидентифицированными химическими группами и «закупоривает» канал. Используя радиоактивно меченный тетродотоксин, подсчитали плотность натриевых каналов в мембране. У различных клеток эта плотность варьирует от десятков до десятков тысяч натриевых каналов на квадратный микрон мембраны.

Функциональная организация калиевых каналов сходна с таковой натриевых каналов, различия лишь в их селективности и кинетике процессов активации и инактивации.

Селективность калиевых каналов выше селективности натриевых: для Na+ калиевые каналы практически непроницаемы; диаметр их селективного фильтра около 0,3 нм. Активация калиевых каналов имеет примерно на порядок более медленную кинетику, чем активация натриевых каналов (см. рис. 7). На протяжении 10 мс деполяризации gK не обнаруживает тенденции к инактивации: калиевая инактивация развивается только при многосекундной деполяризации, мембраны.

Следует подчеркнуть, что такие соотношения между процессами активации и инактивации калиевых каналов характерны только для нервных волокон. В мембране многих нервных и мышечных клеток существуют калиевые каналы, которые сравнительно быстро инактивируются. Обнаружены также быстро активирующиеся калиевые каналы. Наконец, существуют калиевые каналы, которые активируются не мембранным потенциалом, а внутриклеточным Са2+.

Калиевые каналы блокируются органическим катионом тетраэтиламмонием, а также аминопиридинами.

Кальциевые каналы характеризуются медленной кинетикой процессов активации (миллисекунды) и инактивации (десятки и сотни миллисекунд). Их селективность определяется наличием в области наружного устья каких-то химических групп, обладающих повышенным сродством к двухвалентным катионам: Са2+ связывается с этими группами и только после этого проходит в полость канала. Для некоторых двухвалентных катионов сродство к указанным группам настолько велико, что, связываясь с ними, они блокируют движение Са2+ через канал. Так действует Мn2+. Кальциевые каналы могут быть блокированы также некоторыми органическими соединениями (верапамил, нифедипин), используемыми в клинической практике для подавления повышенной электрической активности гладких мышц.

Характерная особенность кальциевых каналов — их зависимость от метаболизма и, в частности, от циклических нуклеотидов (цАМФ и цГМФ), регулирующих процессы фосфорилирования и дефосфорилирования белков кальциевых каналов.

Скорость процессов активации и инактивации всех ионных каналов увеличивается с возрастанием деполяризации мембраны; соответственно увеличивается до некоторой предельной величины число одновременно открытых каналов.

МЕХАНИЗМЫ ИЗМЕНЕНИЯ ИОННОЙ ПРОВОДИМОСТИ

ВО ВРЕМЯ ГЕНЕРАЦИИ ПОТЕНЦИАЛА ДЕЙСТВИЯ

Известно, что восходящая фаза потенциала действия связана с повышением натриевой проницаемости. Процесс повышения g Na развивается следующим образом.

В ответ на начальную деполяризацию мембраны, вызванную раздражителем, открывается лишь небольшое число натриевых каналов. Их открывание, однако, приводит к возникновению входящего внутрь клетки потока ионов Na+ (входящий натриевый ток), который увеличивает начальную деполяризацию. Это ведет к открыванию новых натриевых каналов, т. е. к дальнейшему повышению gNa соответственно входящего натриевого тока, а следовательно, к дальнейшей деполяризации мембраны, что, в свою очередь, обусловливает еще большее повышение g Na и т. д. Такой круговой лавинообразный процесс получил название регенеративной (т. е. самообновляющейся) деполяризации.

Схематически он может быть изображен следующим образом:

Теоретически регенеративная деполяризация должна была бы завершаться повышением внутреннего потенциала клетки до величины равновесного нернстовского потенциала для ионов Na+ :

где Na0+— наружная, а Nai+ — внутренняя концентрация ионов Na+, При наблюдаемом соотношении Эта величина является предельной для потенциала действия. В действительности, однако, пиковый потенциал никогда не достигает величины ENa, во-первых, потому, что мембрана в момент пика потенциала действия проницаема не только для, ионов Na+, но и для ионов К+ (в значительно меньшей степени). Во-вторых, подъему потенциала действия до величины ENa противодействуют восстановительные процессы, ведущие к восстановлению исходной поляризации (реполяризация мембраны).

Такими процессами являются снижение значения gNa и повышение уровня g KСнижение gNa обусловлено тем, что активация натриевых каналов во время деполяризации сменяется их инактивацией; это приводит к быстрому уменьшению числа открытых натриевых каналов. Одновременно под влиянием деполяризации начинается медленная активация калиевых каналов, обусловливающая рост значения gk. Следствием увеличения gK является усиление выходящего из клетки потока ионов К+ (выходящий калиевый ток).

В условиях понижения gNa, связанного с инактивацией натриевых каналов, выходящий ток ионов К+ приводит к реполяризации мембраны или даже к ее временной («следовой») гиперполяризации, как это имеет место, например, в гигантском аксоне кальмара (см. рис. 4 ).

Реполяризация мембраны в свою очередь ведет к закрыванию калиевых каналов и, следовательно, ослаблению выходящего калиевого тока. Вместе с тем под влиянием реполяризации происходит медленное устранение натриевой инактивации:

открываются инактивационныё ворота и натриевые каналы возвращаются в состояние покоя.

На рис. 9 схематически показано состояние натриевых и калиевых каналов в различные фазы развития потенциала действия.

Все агенты, блокирующие натриевые каналы (тетродотоксин, местные анестетики и многие другие препараты), снижают крутизну нарастания и амплитуду потенциала действия и тем в большей степени, чем выше концентрация этих веществ.

АКТИВАЦИЯ НАТРИЙ-КАЛИЕВОГО НАСОСА

ПРИ ВОЗБУЖДЕНИИ

Возникновение серии импульсов в нервном или мышечном волокне сопровождается обогащением протоплазмы Na+ и потерей К+. Для гигантского аксона кальмара диаметром 0,5 мм подсчитано, что во время одиночного нервного импульса через каждый квадратный микрон мембраны в протоплазму поступает около 20 000 Na+ и столько же К+ покидает волокно. В итоге при каждом импульсе аксон теряет около одной миллионной общего содержания калия. Хотя эти потери очень незначительны, при ритмическом следовании импульсов, суммируясь, они должны были бы привести к более или менее заметным изменениям концентрационных градиентов.

Особенно быстро такие концентрационные сдвиги должны были бы развиваться в тонких нервных и мышечных волокнах и мелких нервных клетках, обладающих малым по отношению к поверхности объемом цитоплазмы. Этому, однако, противодействует натриевый насос, активность которого возрастает при повышении внутриклеточной концентрации ионов Na+.

Усиление работы насоса сопровождается значительным повышением интенсивности обменных процессов, поставляющих энергию для активного переноса ионов Na+ и К+ через мембрану. Это проявляется усилением процессов распада и синтеза АТФ и креатинфосфата, увеличением потреблении клеткой кислорода, повышением теплопродукции и т. п.

Благодаря работе насоса нарушенное при возбуждении неравенство концентраций Na+ и К+ по обе стороны мембраны полностью восстанавливается. Следует, однако, подчеркнуть, что скорость выведения Na+ из цитоплазмы с помощью насоса относительно мала: она примерно в 200 раз ниже скорости движения этих ионов через мембрану по концентрационному градиенту.

Таким образом, в живой клетке существует две системы движения ионов через мембрану (рис. 10). Один из них осуществляется по градиенту концентрации ионов и не требует затраты энергии, поэтому его называют пассивным ионным транспортом. Он ответствен за возникновение потенциала покоя и потенциала действия и ведет в конечном итоге к выравниванию концентрации ионов по обе стороны клеточной мембраны. Второй тип движения ионов через мембрану, осуществляющийся против концентрационного градиента, состоит в «выкачивании» ионов натрия из цитоплазмы и «нагнетании» ионов калия внутрь клетки. Этот тип ионного транспорта возможен лишь при условии затраты энергии обмена веществ. Его называют активным ионным транспортом. Он ответствен за поддержание постоянства разности концентраций ионов между цитоплазмой и омывающей клетку жидкостью. Активный транспорт — результат работы натриевого насоса, благодаря которому восстанавливается исходная разность ионных концентраций, нарушающаяся при каждой вспышке возбуждения.

МЕХАНИЗМ РАЗДРАЖЕНИЯ КЛЕТКИ (ВОЛОКНА)

ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ

В естественных условиях генерацию потенциала действия вызывают так называемые местные токи, возникающие между возбужденным (деполяризованным) и покоящимся участками клеточной мембраны. Поэтому электрический ток рассматривается как адекватный раздражитель для возбудимых мембран и успешно используется в экспериментах при изучении закономерностей возникновения потенциалов действия.

Минимальную силу тока, необходимую и достаточную для инициации потенциала действия, называют пороговой, соответственно раздражители большей и меньшей силы обозначают подпороговыми и сверхпороговыми. Пороговая сила тока (пороговый ток) в определенных пределах находится в обратной зависимости от длительности его действия. Существует также некоторая минимальная крутизна нарастания силы тока, ниже которой последний утрачивает способность вызывать потенциал действия.

Существуют два способа подведения тока к тканям для измерения порога раздражения и, следовательно, для определения их возбудимости. При первом способе — внеклеточном — оба электрода располагают на поверхности раздражаемой ткани. Условно принимают, что приложенный ток входит в ткань в области анода и выходит в области катода (рис. 1 1 ). Недостаток этого метода измерения порога заключается в значительном ветвлении тока: только часть его проходит через мембраны клеток, часть же ответвляется в межклеточные щели. Вследствие этого при раздражении приходится применять ток значительно большей силы, чем необходимо для возникновения возбуждения.

При втором способе подведения тока к клеткам — внутриклеточном — микроэлектрод вводят в клетку, а обычный электрод прикладывают к поверхности ткани (рис. 12). В этом случае весь ток проходит через мембрану клетки, что позволяет точно определить наименьшую силу тока, необходимую для возникновения потенциала действия. При таком способе раздражения отведение потенциалов производят с помо щью в торого внутриклеточного микроэлектрода.

Пороговая сила тока, необходимая для возникновения возбуждения различных клеток при внутриклеточном раздражающем электроде, равна 10 - 7 — 10 - 9 А.

В лабораторных условиях и при проведении некоторых клинических исследований для раздражения нервов и мышц применяют электрические стимулы различной формы: прямоугольной, синусоидальной, линейно и экспоненциально нарастающей, индукционные удары, конденсаторные ра зр яды и т. п.

Механизм раздражающего действия тока при всех видах стимулов в принципе одинаков, однако в наиболее отчетливой форме он выявляется при использовании постоянного тока.

ДЕЙСТВИЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА НА ВОЗБУДИМЫЕ ТКАНИ

Полярный закон раздражения При раздражении нерва или мышцы постоянным током возбуждение возникает в момент замыкания постоянного тока только под катодом, а в момент размыкания — только под анодом. Эти факты объединяют под названием полярного закона раздражения, открытого Пфлюгером в 1859 г. Полярный закон доказывается следующими опытами. Умерщвляют участок нерва под одним из электродов, а второй электрод устанавливают на неповрежденном участке. Если с неповрежденным участком соприкасается катод, возбуждение возникает в момент замыкания тока; если же катод устанавливают на поврежденном участке, а анод — на неповрежденном, возбуждение возникает только при размыкании тока. Порог раздражения при размыкании, когда возбуждение возникает под анодом, значительно выше, чем при замыкании, когда возбуждение возникает под катодом.

Изучение механизма полярного действия электрического тока стало возможным только после того, как был разработан описанный метод одновременного введения в клетки двух микроэлектродов: одного — для раздражения, другого — для отведения потенциалов. Было установлено, что потенциал действия возникает только в том случае, если катод находится снаружи, а анод — внутри клетки. При обратном расположении полюсов, т. е. наружном аноде и внутреннем катоде, возбуждения при замыкании тока не возникает, как бы силен он ни был.

Прохождение через нервное или мышечное волокно электрического тока прежде всего вызывает изменения мембранного потенциала.

В области приложения к поверхности ткани анода положительный потенциал на наружной стороне мембраны возрастает, т. е. происходит гиперполяризация, а в том случае, когда к поверхности приложен катод, положительный потенциал на наружной стороне мембраны снижается — возникает деполяризация.

На рис. 13, а показано, что как при замыкании, так и при размыкании тока изменения мембранного потенциала нервного волокна не возникают и не исчезают мгновенно, а плавно развиваются во времени.