Физиология Karpovskyi

Французький учений Луї Лапік (1909) для вимірювання збудливості запропонував користуватись не корисним часом, а іншою одиницею – хронаксією (у перекладі – “цінність часу”). Хронаксія – мінімальний час, необхідний для виникнення збудження тканини при дії подвійної реобази (подвійної порогової сили). Вона вимірюється приладом – хронаксиметром. Ця величина залежить від структури і стану тканини. Найменша хронаксія в

соматичних нервах тварин (у коней та

подразнення. Зміст закону градієнта подразнення зводиться до того, що відповідь живої тканини тим більша, чим вищий градієнт (крутість) подразнення.

БІОЕЛЕКТРИЧНІ ЯВИЩА

Збудження нерозривно пов’язане зі змінами електричних потенціалів клітини, які називаються біоелектричними явищами.

Вперше людина спостерігала біоструми у риб (електричних скатів та вугрів), окремі удари яких досягають 600 В. Електричною енергією риби користуються для захисту від ворогів, орієнтації, знерухомлення жертви.

Італійський фізіолог Луїджі Гальвані довів, що електричний заряд виникає не тільки у риб, а й у інших тварин. У 1791 р. він поставив дослід, відомий у фізіології як “балкон Гальвані” або “перший дослід Гальвані”. Нервово-м’язовий препарат жаби був підвішений за нерв у області хребта на мідний гачок, закріплений на залізній сітці балкона. Кожного разу, коли м’язи лапки препарата торкалися сітки балкона, наставало їх скорочення. Це явище Гальвані пояснював різницею потенціалів між позитивно зарядженим м’язом і негативно зарядженим нервом. При з’єднанні м’яза і нерва металом – провідником струму, у замкнутому ланцюзі “препарат-метал” виникає електричний струм, який і подразнює живу тканину.

281

Сучасник Гальвані, відомий фізик А. Вольта, аналізуючи цей дослід, дійшов іншого висновку. Він вважав, що струм виникає не в живій тканині жаби, а у місці контакту міді й заліза з живою тканиною, яка є електролітом, тобто провідником струму.

Гальвані, не погоджуючись з Вольта, підтвердив свою правоту в досліді без металу (“другий дослід Гальвані”): ізольований литковий м’яз жаби при накиданні на нього сідничного нерва скорочувався.

Вивчення біострумів стало базою побудови сучасної теорії збудження, створення досконаліших методів визначення функціонального стану серця, головного мозку, шлунка, сітківки ока та інших органів. На сьогодні розрізняють біоструми трьох категорій:

1)струми спокою або клітинні потенціали,

2)струми або потенціали пошкодження,

3)струми дії або акційні струми.

Струми спокою або клітинні потенціали (КП) спостерігаються в усіх живих непошкоджених клітинах. Оболонка клітини (мембрана) має позитивний заряд (+), а цитоплазма – негативний (–). Для реєстрації потенціалу спокою необхідно мати два мікроелектроди, один з яких діаметром менше 6,5 мкм вводиться в клітину, а другий, діаметром 1–4 мкм, накладається на зовнішню

поверхню клітини. З’єднавши обидва мікроелектроди із чутливим записуючим пристроєм, можна виміряти наявність і величину потенціалу.

Величина КП тісно пов’язана з функціональною спеціалізацією клітини. Для тканини з високою спеціалізацією (нервова, м’язова) КП досягає 80–100 мілівольт (мВ), а для епітеліальної – не більше 20 мВ.

Потенціал спокою зумовлений різною проникністю клітинної мембрани для іонів.

Струми або потенціали пошкодження

виникають при пошкодженні тканин. Пошкоджена ділянка має негативний заряд, а непошкоджена – позитивний. Другий дослід Гальвані – яскравий приклад виникнення струму пошкодження.

Струми дії або акційні струми виникають при збудженні тканини. Збуджена ділянка заряджена негативно по відношенню до незбудженої.

Потенціал дії, на відміну від потенціалу пошкодження, реєструється у вигляді двофазного струму. Це пояснюється поширенням по тканині хвилі збудження (рис. 3).

Сучасна техніка дослідження дозволила встановити чотири періоди потенціалу дії: початкову електронегативність (0,0001 с), пік потенціалу (0,002

282

с), слідову електронегативність (0,002 с) і слідову електропозитивність (0,1 с). Наведені величини потенціалу дії відносяться до нерва, у м’язі тривалість усіх цих періодів у два рази більша.

Початковий негативний потенціал відповідає прихованому періоду збудження, коли в клітинах відбуваються фізико-хімічні зміни, які готують виникнення піку потенціалу. Під час його розвитку енергія, що звільняється, здійснює збудження тканини. Звідси швидкість виникнення і розвитку збудження цілком залежить від перших двох періодів; третій і четвертий періоди пов’язані з ресинтезом енергетичних речовин.

МЕХАНІЗМ ВИНИКНЕННЯ ЗБУДЖЕННЯ

Більшість фізіологів виникнення збудження пов’язують з переміщенням іонів і різницею їх концентрації.

Основоположник іонної теорії В.Ю. Чаговець (1896) вважав, що пошкодження або подразнення тканини викликає посилений обмін речовин з утворенням вугільної кислоти, що дисоціюється на іони НСОˉ3 і Н+. Іони НСОˉ3 як малорухливі затримуються в місцях пошкодження або подразнення, створюючи негативний заряд, а іони Н+ як більш рухливі переміщуються в сусідні ділянки тканини, утворюючи позитивний заряд. Різниця потенціалів двох сусідніх ділянок тканини і є джерелом електрорушійних сил. Ця теорія отримала назву альтераційної, тобто перемінної (від лат. аlteratio – зміна).

Мембранну теорію запропонував Ю. Беренштейн (1902). Він вважав, що поверхня клітинної цитоплазми має напівпроникну мембрану, що в спокійному стані пропускає тільки катіони. В незбудженому стані зовнішня поверхня клітини буде мати позитивний заряд, а внутрішня – негативний. Пошкодження клітини або її подразнення порушують проникність мембрани і вона починає пропускати аніони. Завдяки цьому клітина зовні стає електронегативною. Різниця потенціалів між клітиною та навколишнім середовищем створює умови для виникнення і поширення збудження.

Нерст (1909) причину збудження вбачав у нагромадженні рухливих іонів біля напівпроникних клітинних мембран. При подразненні тканини електричним струмом по обидва боки мембрани концентруються певні іони, що здатні викликати збудження.

Леб Ж. (1915) пояснював збудження співвідношенням однота двовалентних катіонів. Одновалентні іони калію та натрію підвищують збудливість нервової і м’язової тканин, а двовалентні іони кальцію і магнію, навпаки, знижують її. Таким чином, нагромадження іонів натрію і калію діють подразнююче, а нагромадження іонів кальцію і магнію – пригнічуючи.

Лазарєв П.П. (1916, 1923) на основі досліджень Леба і Нерста про дію іонів на живі клітини дійшов висновку, що одновалентні іони рухаються швидше ніж двовалентні. Цим зумовлюється підвищення збудливості на катоді та зниження її на аноді у момент замикання кола гальванічного струму.

Останнім часом значного поширення і визнання набула мембранна теорія Ходжкіна-Хакслі-Катца (1949) або теорія калієво-натрієвого насосу (помпи). Згідно з цією теорією будь-яка жива клітина вкрита мембраною, яка

283

складається з чотирьох шарів молекул. Зовнішній шар – це білкові молекули, далі – два шари фосфоліпідів і четвертий, внутрішній шар представлений білковими молекулами. Товщина мембрани становить близько 5 Å (1 ангстрем = 10–8 см). У мембрані є “пори” і “канали”, діаметром 7–8 Å. Пори несуть певний електричний заряд, який полегшує або ускладнює дифузію іонів через мембрану. Мембрана більше проникна для катіонів ніж для аніонів. Різні катіони також проникають через мембрану з різною швидкістю.

Установлено, що електричний потенціал на мембрані позитивний, а всередині – негативний. Різниця потенціалів пояснюється іонним складом усередині і зовні клітини. Іони калію порівняно з іонами натрію швидше проникають через мембрану.

Маючи уявлення про структуру та деякі функціональні особливості клітинної мембрани, розглянемо, як виникає і поширюється нервовий імпульс, тобто хвиля збудження.

Первісною реакцією клітини на дію зовнішнього фактора є зміна проникності клітинної мембрани у місці подразнення. Іони натрію миттєво проникають всередину клітини, даючи позитивний заряд. У той же час, з клітини виходить незначна кількість іонів калію (рис. 4). За один імпульс клітина втрачає мільйонну частину всієї кількості калію. У результаті іонних переміщень настає деполяризація – клітинний потенціал знижується до нуля. Потім відбувається перезарядка мембрани: усередині плюс, а зовні – мінус. У цей час реєструється пік потенціалу дії, що перетвориться на слідові потенціали. Пояснюється це повторними змінами проникності мембрани, при якій іони натрію повертаються у міжклітинну рідину, а іони калію – в клітину. Мембрана знову набуває попереднього заряду (зовні позитивний, а всередині негативний) і потенціал спокою відновлюється.

Переміщення іонів натрію всередину клітини є причиною появи місцевого колового струму, який поширюється на поверхні мембрани. Всередині клітини коловий струм іде від збудженої ділянки до незбудженої, а зовні – від місця спокою до збудженого.

Проникаючи в сусідню незбуджену ділянку, місцевий струм відкриває пори для натрію, створюючи тут новий імпульс. Зароджуючись у кожній наступній точці нервового або м’язового волокна, імпульс поширюється на значну відстань. Такі зміни подібні до роботи насоса (помпи), що й дало назву теорії.

Отже, нервовий імпульс – складний електрохімічний процес. Що ж є причиною активного переміщення через мембрану іонів калію і натрію? У дослідах на аксоні кальмара, товщина якого досягає 1 мм, доведено, що

284

необхідна енергія для “іонного насосу” утворюється в процесі “спалювання” аденозинтрифосфорної кислоти (АТФ).

ФАЗИ ЗБУДЛИВОСТІ

У процесі виникнення й розвитку поодинокого імпульсу збудження мають місце фазові зміни збудливості тканини. Спочатку після нанесення подразнення спостерігається короткотривале, незначне місцеве підвищення збудливості. Потім настає різке зниження збудливості. Ця тимчасова незбудливість отримала назву фази абсолютної рефрактерної. Вона відповідає розвитку потенціалу дії.

Тривалість фази абсолютної рефрактерності дорівнює: для нерва – 0,002 с, скелетного м’яза – 0,005 і серцевого м’яза – 0,3–0,4 с.

Після закінчення періоду абсолютної рефрактерності збудливість тканини поступово відновлюється, досягаючи початкового рівня. Цей період зниженої збудливості називається фазою відносної рефрактерності. Ця фаза в часі збігається з переходом піку потенціалу у слідову електронегативність. У фазі відносної рефрактерності подразники великої сили можуть викликати відповідь. Тривалість її для нервових волокон становить 0,001–0,01, а для м’язів

– 0,03 с.

Далі настає фаза підвищеної збудливості, яку М.Є. Введенський назвав екзальтаційною. Ця фаза збігається зі слідовою електронегативністю. У нерві вона триває 0,02, а у м’язі 0,05 с і більше.

Після фази екзальтації настає тривала фаза субнормальності, протягом якої збудливість тканини дещо знижується порівняно з початковою збудливістю. За часом дана фаза збігається з електропозитивністю. Потім збудливість тканини приходить до норми.

Отже, всі фази зміни збудливості відповідають певним періодам потенціалу дії (рис. 5).

Знання фазових змін збудливості важливе для розуміння характеру скорочення м’язів залежно від частоти подразнення. Якщо подразнювати нерв нервово-м’язового препарату індукційним струмом за умови, що друге подразнення іде за першим з інтервалом, рівним тривалості абсолютної рефрактерності, м’яз не скоротиться. Поступове збільшення інтервалу буде супроводжуватись збільшенням висоти скорочення. Максимальне скорочення м’яза настає в той момент, коли

285

подразнення збігається у часі з екзальтаційною фазою. Тривалість фазових змін збудливості у процесі життєдіяльності тканин змінюється. Так, при втомі м’яза час абсолютної і відносної рефрактерності збільшується. Фази збудження тісно пов’язані з обміном речовин.

Незначне підвищення збудливості на початку збудження стимулює перехід тканини від видимого спокою до діяльного, активного стану. У період абсолютної рефрактерності, вперше виявленої на серці, утворюється необхідна енергія, яка забезпечує розвиток збудження. У цей час збільшується проникність мембрани клітини для іонів калію і припиняється потік іонів натрію в клітину. Згідно з мембранною теорією збудження Ходжкіна-Хакслі- Катца ці процеси гальмують виникнення нового потенціалу дії на чергове подразнення. Біологічне значення фази абсолютної рефрактерності полягає в тому, що вона запобігає надмірним втратам енергетичних матеріалів у тканині і тим самим сприяє нормальному розвитку процесу збудження. Відносна рефрактерність створює умови для відновлення вихідного стану збудженої тканини.

Під час фази екзальтації тканина здатна відповідати на повторне подразнення. Поява цієї фази свідчить про те, що подразнення викликає не тільки певну реакцію тканини, а й створює сприятливі умови для повторних збуджень. Фаза екзальтації має безпосереднє відношення до ритмічної діяльності, властивої нервовій та м’язовій тканинам.

ФУНКЦІОНАЛЬНА РУХЛИВІСТЬ (ЛАБІЛЬНІСТЬ)

Результат ритмічних подразнень залежить від частоти подразнень і тривалості окремих фаз, що супроводжують розвиток збудження. Тривалість фізіологічних зрушень (“місцева” активність та пік потенціалу дії, що відповідає абсолютній рефрактерності) називається інтервалом збудження. Чим коротший цей інтервал, тим швидше проходить збудження. Інтервал збудження для соматичних нервів хребетних тварин становить приблизно 0,002, а для скелетних м’язів – 0,005 с.

Згідно з вченням М.Є. Введенського (1892), швидкість процесу збудження визначає функціональну рухливість або лабільність тканини. Лабільність – це властивість живої тканини синхронно відповідати ритмом збудження на ритм подразнення.

Тканини з малою тривалістю рефрактерної фази мають високу функціональну рухливість і здатні за короткий проміжок часу відтворити велику кількість окремих імпульсів збудження. Сучасні методи дослідження підтверджують, що максимальний ритм збудження для м’якотного нерва становить 500, а для м’яза – 200 імпульсів за секунду.

У процесі еволюції функціональна рухливість тканин зростає. Найбільш високу лабільність мають соматичні нерви та скелетні м’язи вищих хребетних тварин і людини, що виконують термінові рефлекторні акти. Найнижча функціональна рухливість у безм’якотних вегетативних нервах і гладеньких м’язах, здатних до повільних тонічних скорочень.

286

Лабільність – величина непостійна і може змінюватись під впливом численних факторів зовнішнього та внутрішнього середовища.

Нагрівання, охолодження, здавлювання, дія електричного струму, наркотичних речовин та інших подразників знижують лабільність тканин. Зменшення функціональної рухливості пояснюється уповільненням відновлювальних процесів, що забезпечують виникнення збудження при подразненні. Старіння організму також знижує функціональну рухливість тканин.

Підвищення лабільності спостерігається при діяльності. Учень М.Є. Введенського О.О. Ухтомський (1928) установив, що тканина, перебуваючи в активному стані, здатна сприймати і засвоювати більш високу, раніше недоступну їй частоту подразнень.

Підвищення або зниження функціональної рухливості порівняно з вихідним рівнем, викликане діяльним станом тканини, називається засвоєнням ритму. Здатність до засвоєння ритму залежить від зміни обміну речовин у тканині під час її активності. Краще засвоює високі ритми збудження м’язова тканина з низькою вихідною лабільністю. Засвоєння ритму відіграє істотну роль у координаційній діяльності центральної нервової системи.

Оптимум і песимум частоти та сили подразнення. У дослідах на нервово-м’язовому препараті М.Є. Введенський (1886) установив, що найбільша висота тетанічного скорочення м’яза спостерігається у випадку подразнення нерва індукційним струмом певної частоти. Ця частота називається оптимальною, або оптимумом частоти (від лат. оptimum – найкращий). При оптимальній частоті кожне наступне подразнення припадає на екзальтаційну фазу, коли м’яз перебуває у стані найбільшого збудження. В результаті чого і настає максимальне скорочення м’яза. Оптимальний ритм збудження в 2–3 рази менший максимального. Коли для сідничного нерва жаби максимальний ритм збудження становить 300–350, то оптимальний – 100–150 імпульсів за секунду, а для скелетного м’яза – відповідно 120–200 та 30–50.

Збільшення частоти подразнення, що перевищує оптимальний ритм, викликає зниження, а в окремих випадках і повне припинення скорочення м’яза. Велика частота називається найгіршою, песимальною (від лат. реssimus – найгірший). Песимум пояснюється тим, що кожний новий імпульс з нерва застає м’яз у фазі відносної або абсолютної рефрактерності. Надміру висока частота подразнення робить м’яз нездатним до відтворення хвильових відповідей. Кожне чергове подразнення, яке посилається в дуже частому ритмі, поглиблює стан рефрактерності, знижує функціональну рухливість тканини і тим самим викликає гальмування. Зміна песимальної частоти подразнень на оптимальну сприяє відновленню фізіологічних властивостей тканини.

При дії подразників різної сили також можна спостерігати оптимум і песимум. Збільшення сили струму однієї й тієї ж частоти підвищує тетанічні скорочення м’яза до певної висоти – оптимум сили. Дальше її збільшення буде супроводжуватись зниженням скорочення м’яза аж до самого його зникнення – песимум сили. Відмічені форми активності м’язової тканини пояснюються зміною лабільності.

287

Дослідження М.Є. Введенського показали, що явища оптимуму та песимуму можуть виникати у будь-якій живій тканині, у тому числі і нервовій. Оптимальна частота або сила подразнення виявляє найбільш сприятливий вплив на діяльність різних тканин і органів. Песимальна частота або сила подразнення веде до гальмування фізіологічних, процесів організму.

ПАРАБІОЗ ТА ЙОГО ФАЗИ

Введенський М.Є. (1901) у класичному творі “Збудження, гальмування і наркоз” виклав свої погляди на природу збудження і гальмування. Досліди проводились на нервово-м’язовому препараті жаби. Нерв цього препарату у середній частині піддавали впливу однієї з наркотичних речовин – новокаїну, хлороформу або ефіру, після чого подразнювали індукційним електричним струмом в області альтерації (зміни), вище і нижче її. Показником реакції нерва на подразнення було скорочення литкового м’яза, що реєструвалося на кімографі. Для нормального незміненого нерва збільшення сили або частоти подразнення супроводжувалось наростанням величини відповіді (рис. 6, а). Зовсім інша картина спостерігалася при дії наркотичної речовини. При цьому у

раradoxos – несподіванка).

Утретій, гальмівній стадії хвилі збудження не проходять через зону наркозу, тому подразнення нерва не викликає видимої реакції. Стан нерва, при якому, залишаючись живим, він втрачає здатність нормально функціонувати, називається парабіозом (від грец. раrа – біля, bios – життя).

Після усунення дії наркотичної речовини збудження та провідність нерва відновлюються, проходячи всі три стадії, але у зворотному напрямку. При тривалій альтерації настають незворотні процеси і тканина відмирає. Виникнення парабіотичних стадій пояснюється зниженням лабільності.

Упроцесі розвитку першої стадії парабіозу змінена ділянка нерва втрачає здатність до синхронного проведення імпульсів. Подразнення різної сили або частоти, що надійшло з нормальної ділянки нерва, трансформується,

288

зрівноважується в силі, внаслідок чого скорочення м’яза будуть майже однакові.

Удругій, парадоксальній стадії відбувається подальше зниження лабільності. При цьому слабкі або поодинокі подразнення, що збігаються у часі

ззакінченням відносної рефракторної фази або початком екзальтаційної, викликають значне скорочення м’яза. Часті або сильні подразнення, збігаючись із закінченням фази абсолютної рефрактерності або початком відносної, поєднуючись з впливом наркотичної речовини, дають мінімальне скорочення м’яза.

Угальмівній стадії лабільність нерва знижується настільки, що подразнення будь-якої сили або частоти збігаються з абсолютною рефракторною фазою і не викликають скорочення м’яза. Припинення провідності пов’язане з дією наркотичної речовини, що є хімічним подразником. Діючи безперервно, цей подразник перешкоджає процесам відновлення.

Парабіоз можна викликати також хімічними або фізичними подразниками

– кислотою, лугом, розчинами солей, холодом, теплом тощо.

Аналізуючи результати власних досліджень, М.Є. Введенський дійшов висновку, що природа збудження та гальмування одна й та сама. Якщо подразнення відповідає лабільності, тобто функціональній рухливості тканини, настає збудження. Подразнення, що не відповідає функціональній рухливості тканини, викликає гальмування. Таким чином, гальмування – це місцеве, стійке, непоширене збудження.

На думку М.Є. Введенського, загальна властивість нервової та м’язової тканини – рефрактерність є процесом гальмування. Повторні подразнення, що потрапляють на нерв, коли він перебуває в стані збудження, викликаного першим подразненням, посилюють місцеве збудження настільки, що настає гальмування.

ФІЗІОЛОГІЯ М’ЯЗІВ

Організми тварин здатні до активних рухів – цитоплазматичних, війчастих, джгутикових і м’язових.

У хребетних тварин розрізняють скелетну (поперечносмугасту), гладеньку та серцеву м’язову тканини.

Особливості будови м’язів. Скелетні м’язи складаються з великої кількості окремих клітин – м’язових волокон діаметром 10-100 мкм, укритих загальною сполучнотканинною оболонкою. За допомогою цих м’язів відбуваються всі рухи організму тварини.

Кожне волокно, довжина якого залежить від розмірів та форми м’яза, являє собою багатоядерне циліндричне утворення. У середній частині волокна є хімічно чутливе місце – кінцева пластинка, де закінчується руховий аксон, створюючи моторну бляшку або нервово-м’язовий синапс (рис. 7). При збудженні аксон мотонейрона виділяє ацетилхолін, у результаті чого відбувається деполяризація м’язового волокна і генерація електричного

289

імпульсу. Останній, поширюючись в обидва боки до кінців волокна, викликає скорочення м’яза.

У м’язовому волокні є неспеціалізована цитоплазма – саркоплазма та спеціалізована – кіноплазма, що складається з поздовжньо розміщених міофібрил, діаметр яких дорівнює 1–2 мкм. Сарколема – оболонка м’язової клітини, зв’язана з сухожилком і переходить у сполучну тканину міжм’язових

волокон.

До складу саркоплазми входять білки (міоген, глобулін Х та міоглобін). З’єднуючись з киснем крові вони утворюють оксиміоглобін, що забезпечує постачання м’язів киснем. Найбільше міоглобіну знаходиться в м’язах тварин, здатних тривалий час знаходитись під водою: у дельфіна – 14%, кита – 16, тюленя – 20–40% від сухого залишку м’язової тканини.

Поперечна смугастість міофібрил залежить від правильного чергування темних анізотропних і світлих ізотропних ділянок. Анізотропні ділянки мають сильне, а ізотропні – слабке подвійне променезаломлення. Світлі ділянки розподіляються мембраною, до якої прикріплені актинові протофібрили. Ділянка між двома мембранами називається саркомером. У темних ділянках розміщені товсті міозинові протофібрили, що утворюють мембрану.

Скелетні м’язи добре забезпечені руховими і чутливими нервами. Чутливий нейрон іннервує групу м’язових волокон і закінчується на інтрафузарних м’язових волокнах усередині м’язового веретена. М’язові веретена розкидані по всіх скелетних м’язах.

Гладенькі м’язи є в усіх паренхіматозних органах, у судинах, кишках, сечовому міхурі, молочній залозі, шкірі тощо. Вони являють собою веретеноподібні клітини, що не мають поперечної смугастості, довжиною 20– 500 та діаметром 4–5 мкм. У клітині є одне ядро та безліч протофібрил.

Серцевий м’яз хребетних складається з поперечносмугастих волокон. Старе уявлення про те, що синтицій м’яза серця може розглядатись як одне м’язове волокно не відповідає дійсності. Установлено, що в серцевому м’язі є вставні двомембранні диски, які порушують безперервність волокон.

ВЛАСТИВОСТІ СКЕЛЕТНИХ М’ЯЗІВ

Скелетні м’язи відзначаються збудливістю, провідністю, скоротливістю, еластичністю, розтягненням, пластичністю та тонічністю.

290