Мембранно-ионная теория генерации биопотенциалов клеткой и основные опыты, её подтверждающие
Свою первую статью с изложением взглядов на происхождение электричества в живых организмах Ю. Бернштейн опубликовал только после того, как придумал ряд экспериментов ее подтверждающих. Ученый провел серию эффектных опытов на неповрежденной мышце лягушки. Он показал, что, если нагреть один конец целой неповрежденной мышцы, от нагретого участка к холодному участку поверхности мышцы потечет ток. Этот результат прямо следовал из формулы Нернста – в более теплом месте поверхности возникает больший электрический потенциал, чем в холодном. Электрический ток течет по направлению от точек пространства с более высоким потенциалом к месту с более низким значением электрического потенциала.
Некоторое
время слабым местом в теории Бернштейна
было отсутствие данных о том, какой
именно ион создает ПП. В 1905 году молодой
сотрудник В. Нернста5
Гебер обнаружил, что все соли,
содержащие калий, оказывают на мышцу
схожее действие: участок мышцы, на
который действовал раствор соли калия,
приобретал отрицательный потенциал по
отношению к другим участкам мышцы.
Бернштейн сразу оценил работы Гебера
как подтверждение его теории. Все соли
калия при диссоциации в воде повышали
наружную концентрацию ионов калия, при
этом отношение
уменьшается, соответственно, уменьшается
и потенциал той области мышцы, на которую
действуют соли калия. В результате
электрический ток тек по поверхности
неповрежденной мышцы по направлению к
участку, содержащему повышенную
концентрацию ионов калия.
Однако эксперименты Бернштейна и Гебера были лишь косвенным подтверждением мембранной гипотезы о происхождении электрических потенциалов в живых организмах. Они не вызвали особого восторга в ученом мире, и это было предсказуемо и закономерно. Так, влияние температуры на величину потенциала можно было объяснить ускорением химических реакций. Влияние калия на величину ПП также могло быть истолковано как результат химического взаимодействия солей калия с веществом клетки. Чтобы подтвердить правильность гипотезы, требовалось доказать следующее:
клетки имеют мембрану, которая проницаема лишь для одного иона (или нескольких ионов);
концентрация этого ионов (этих ионов) по обе стороны БМ различная;
потенциал на мембране возникает только за счет проницаемости мембраны для этого иона (этих ионов) и он равен нернстовскому потенциалу.
Из трех китов, на которых покоилась мембранная теория Бернштейна, мембрана, внутриклеточная среда и наружный раствор, - в тот исторический момент6 наиболее изученной была наружная среда клетки. Гораздо сложнее было определить ионный состав внутриклеточной жидкости. Тем более что исследователям требовалось доказать не только существование калия во внутриклеточной жидкости, но и то, что калий находится внутри клетки в состоянии свободных ионов. Решить эту проблему удалось только тогда, когда был освоена технология изготовления стеклянных микроэлектродов, с помощью которых можно было проникнуть внутрь клетки, и когда была обнаружена гигантская клетка.
В 1936 году англичанин Дж. Юнг, специалист по головоногим моллюскам, обнаружил кальмара, у которого диаметр нервного волокна доходил до миллиметра. Нервное волокно – это клетка, и по клеточным масштабам аксон кальмара был гигантской клеткой, хотя сам моллюск вовсе не был гигантом. Нервное волокно кальмара, будучи выделенным из организма моллюска и помещенное в морскую воду, не погибало. Впервые ученые получили возможность проводить эксперименты на клеточном уровне.
В 1939 году английские ученые А. Ходжкин и его ученик А. Хаксли измерили разность потенциалов на аксоне кальмара. Им удалось также доказать, что внутри аксона кальмара имеется много ионов калия и ионы калия образуют своеобразный ионный газ, т.е. находятся в свободном состоянии.