<<
>>

От гипотезы до теории

  Первая экспериментальная проверка гипотезы была предпринята А. Ходжкином и Б. Катцем в 1949 г. Исследователи решили посмотреть, как влияет на величину ПД изменение концентраций калия и натрия в наружной среде.
Они показали, что амплитуда ПД зависит от изменений концентрации натрия так же, как величина ПП зависит от концентрации калия, т. е. подчиняется формуле Нернста. Это было хотя и косвенное, но сильное подтверждение натриевой гипотезы: ведь это и означает, что в возбужденной мембране калиевая проницаемость сменяется натриевой. Используя более тонкий метод для сопоставления проницаемости мембраны для калия и натрия, Ходжкин и Катц установили, что в покое мембрана примерно в 25 раз более проницаема для калиях чем для натрия, а при возбужде- пин, наоборот, проницаемость для натрия становится примерно в 20 раз выше, чем для калия.
Основная идея натриевой гипотезы была подтверждена с помощью метода меченых атомов в 1951 г. Кейнесом и др. Они показали, что во время возбуждения в нервное волокно действительно входит гораздо больше ионов Na+, чем в покое. Оказалось, что и выход калия наружу тоже не перекращается, даже наоборот, становится сильнее, чем в покое.
Итак, основная идея, введенная Ходжкином и Хаксли в мембранную теорию, идея о том, что проницаемость мембраны для того или иного иона не является величиной постоянной, а может меняться в зависимости о;п условий, оказалась верной.
Но одной этой общей идеи для объяснения механизма возбуждения и всех явлений, связанных с ним (существования порога, рефрактерное™ и др.), было явно недостаточно.
Пока не было установлено, как в действительное™ во время возбуждения меняется проницаемость мембраны для калия и для натрия и, главное, от каких условий зависят эти изменения.
Опыты с внутриклеточным раздражением аксона показывали, что для возникновения возбуждения необходимо изменить на определенную величину мембранный потенциал, довести его до порогового значения. Изменения порога в течение рефрактерного периода зависели от времени. Была известна зависимость «сила — длительность» и т. д. Поэтому Ходжкин и Хаксли предположили, что проницаемость мембраны определяется двумя факторами: мембранным потенциалом и временем, прошедшим с момента изменения потенциала. Надо было выяснить, верно ли это предположение.
А выяснить это было чрезвычайно трудно, и не только потому, что процесс возбуждения, как мы уже не раз отмечали, очень быстрый. Дело еще и в том, что всякое изменение потенциала на мембране — а в этом, по существу, и состоит явление возбуждения — вызывает, согласно гипотезе, изменение проницаемости и для натрия, и для калия, а изменение проницаемости сейчас же меняет потенциал. Существенно также, что всякое изменение потенциала сейчас же вызывает в мембране емкостный ток: ведь в электрическом отношении мембрана — это сопротивление и емкость, включенные параллельно.
Решающую роль в экспериментальных исследованиях проницаемости клеточной мембраны сыграла разработка Ходжкином и Хаксли так называемого метода фиксации потенциала. Вот где пригодился Ходжкину опыт, приобретенный во время войны в работе с радарными установками! Ходжкин сконструировал специальный прибор, который с помощью электронных схем улавливал малейшие изменения мембранного потенциала и очень быстро подавал на мембрану ток, компенсирующий эти изменения.
С помощью такой управляющей схемы с обратной связью на мембране поддерживался постоянный потенциал, причем в течение любого нужного времени.
Теперь, можно сказать, руки были развязаны: во-первых, раз потенциал на мембране не меняется, ток через емкость не идет; во-вторых, зафиксировав потенциал, можно было проверить, действительно ли, как предполагалось, проницаемость меняется со временем уже сама но себе, независимо от потенциала.
Опыт ставился так. На мембране за очень короткое время (несколько сотен микросекунд) устанавливали необходимую разность потенциалов и поддерживали ее на заданном уровне достаточно долго (несколько миллисекунд), регистрируя ток, пропускаемый через мембрану. При этом сила тока была пропорциональна проводимости [†††††††]) мембраны в данный момент времени.
Чтобы разделить калиевую и натриевую проницаемости, использовали в качестве окружающей волокно среды раствор, содержащий только исследуемый ион, или специальные вещества, которые препятствовали прохождению другого иона через мембрану.
Проведя на своей установке обширную серию экспериментов, Ходжкин и Хаксли получили эмпирические

графики зависимостей изменения проницаемости от сдвига потенциала и времени, точнее, «срезы» этих функций для различных значений потенциала. Было показано, что каждый сдвиг МП от положения равновесия, т. е. от ПП, равного 80 мВ, действительно вызывает изменение проницаемости мембраны и для калия, и для натрия.
Результат одного из таких опытов по изучению калиевой проницаемости показан на рис. 19. Здесь по оси
ординат отложен ток, проходящий через единицу поверхности мембраны, а по оси абсцисс — время, начиная с момента установления потенциала на заданном уровне.
Видно, что ток постепенно нарастает, а это значит, что сопротивление мембраны снижается: при постоянном МП по закону Ома произведение тока на сопротивление постоянно. Но снижение со- - противления означает рост проводимости мембраны для ионов калия. Этот результат показывает, что калиевая проницаемость действительно зависит не только от МП, но и от времени.
Теперь мы попросим уважаемого читателя внимательно разобраться в полученных в результате таких экспериментов графиках, изображенных на рис. 20, а, б. На первом изображена зависимость изменения калиевой проводимости от сдвига потенциала и времени, на втором — натриевой. Если мембранный потенциал равен иримерно —80 мВ, т. е. потенциалу покоя, то и калиевая, и натриевая проводимости не меняются, причем первая примерно в 25 раз больше, чем вторая, и равна примерно 1 мС/см2 *). Поэтому в нашем масштабе исходная проницаемость для калия (а тем более для натрия) почти не видна. При сдвиге мембранного потенциала, например, от —80 до —42 мВ (вторая снизу кривая на рис. 20, я), т. е. при деполяризации мембраны на 38 мВ, калиевая проводимость увеличивается, причем сначала очень медленно: первую миллисекунду почти не меняется, потом примерно за 5—8 мс постепенно уве-
*) Сименс (С) — единица проводимости. Проводимостью в 1 С обладает проводник сопротивлением в 1 Ом.

личивается и через некоторое время устанавливается на новом постоянном уровне. На кривых рис. 20, а видно, что этот новый уровень тем выше, чем больше сдвиг потенциала на мембране, однако он не превосходит некоторого определенного значения.
Проницаемость для натрия, напротив, увеличивается очень быстро (меньше чем за 1 мс), но затем быстро падает до некоторого нового уровня; этот новый уровень тем

Рис. 20. Зависимость калиевой (а) и натриевой (б) проводимостей клеточной мембраны от времени и от величины деполяризации. По оси абсцисс— время в мс, по оси ординат — проводимость мембраны в мС/см2. Цифры около кривых показывают сдвиг МП от ПП по направлению к нулю или еще дальше в сторону положительных потенциалов. Точки показывают значения, полученные в эксперименте, а кривые — результат решения уравнений Ходжкина— Хаксли (см. ниже)


меньше, чем сильнее деполяризация: при деполяризации порядка 30 мВ и выше он становится практически равным нулю. Как видно из рис. 20, б, максимум, достигаемый натриевой проводимостью, и скорость ее нарастания также зависят от величины сдвига МП: чем больше деполяризация, тем больше максимум и, как в случае 1?алия, имеется предельный уровень.
Уже эти данные, описанные нами в таком чисто качественном виде, позволяют в общих чертах объяснить механизм возбуждения — возникновения ПД.
Потенциал действия возникает, когда в результате какого-то воздействия мембрана нервного или мышечного волокна деполяризуется до некоторого уровня, например до потенциала —50мВ. От этого сразу же возрастает проницаемость мембраны для натрия. Ионы натрия начинают входить внутрь волокна по градиенту концентрации. Это вызывает дальнейшую деполяризацию мембраны. От этого еще больше повышается натриевая проницаемость и т. д. Возникает лавинообразный процесс, в результате которого мембрана перезаряжаете^. Эти процессы длятся доли миллисекунды и обусловливают резкий подъем ПД. Затем натриевая проницаемость начинает уменьшаться и, кроме того, становится заметным повышение калиевой проницаемости; в результате поток ионов калия, идущих наружу, становится больше, чем направленный внутрь поток ионов натрия, и МП возвращается к исходному уровню.
Однако такое объяснение ПД не только слишком общее и схематичное, но, главное, в некотором смысле оно недостаточно законно. Хотя фиксация потенциала — это вещь великолепная, но именно в ней скрывается подвох: ведь на самом деле при возбуждении реального нерва проницаемость никогда не меняется так,, как показано на рис. 20, потому что при возбуждении потенциал никогда не остается постоянным, никогда не «фиксируется», так что при описании реального процесса на самом деле нельзя следить за одной кривой, а надо мысленно «перескакивать» с одной кривой на другую.
Кроме того, на самом деле проницаемость (и калиевая, и натриевая) является функцией не двух переменных — потенциала и времени, а трех:              потенциала,
времени и начальных условий, например начального значения потенциала, определяющего состояние мембраны в момент раздражения. Приведенный на рис. 20 набор кривых описывает только случай, когда начальное значение МП было равно ПП, т. е. —80 мВ. Если же исходно, в момент раздражения, потенциал на мембране установлен на другом уровне, то и начальные значения калиевой и натриевой проницаемости, и их изменения будут совсем другими.
Именно поэтому, если бы мы хотели, например,.
решить графически задачу расчета изменения проницаемости при переменном, а не при фиксированном потенциале, то нам пришлось бы перескакивать не только с одной кривой на другую, но и с одного семейства графиков на другое. 
<< | >>
Источник: Беркинблит М. Б., Глаголева Е. Г.. Электричество в живых организмах. 1988

Еще по теме От гипотезы до теории:

  1. ПЕРЕМЕННЫЕ, ГИПОТЕЗЫ И ТЕОРИИ
  2. Моделирующий подход в теории познания и психологические гипотезы
  3. Принцип фальсифицируемости гипотез в теории критического реализма К. Поппера
  4. Глава 9 Теории эмоциональных явлений. Теории мотивационной и волевой регуляции
  5. Сравнительный методологический анализ теории условных рефлексов и теории оперантного обусловливания
  6. Гипотеза
  7. ГЛАВА ВОСЬМАЯ ОБЩЕЕ ДОКАЗАТЕЛЬСТВО ПРАВИЛЬНОСТИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ УСТРОЙСТВА МИРОЗДАНИЯ ВООБЩЕ И ДОСТОВЕРНОСТИ ДАННОЙ ТЕОРИИ В ЧАСТНОСТИ
  8. О ГИПОТЕЗЕ
  9. Гипотеза о характерности
  10. Глава 8. Гипотеза и теория
  11. 4.3. ВЫДВИЖЕНИЕ ГИПОТЕЗЫ
  12. Семь гипотез
  13. Гипотезы относительно автоматизации
  14. Пример 2.1 НАУЧНАЯ ГИПОТЕЗА
  15. ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ГИПОТЕЗЫ
  16. Гипотезы генезиса искусства
  17. Моноаминовые гипотезы, их достоинства и недостатки
  18. Гипотезы, основанные на теориях постановки целей
  19. § 31. НЕУДОВЛЕТВОРИТЕЛЬНОСТЬ ГИПОТЕЗЫ ОБ АНСАМБЛЕ ВСЕЛЕННЫХ