Первые шаги электробиологии

Если в первой половине нашего рассказа место и время действия можно было охарактеризовать так: Италия, XVIII век, то теперь происходит "смена декораций" - на сцене Германия, XIX век.

Но меняются не только время и место, меняется и сам характер науки. В XVIII веке наукой занимались в основном одиночки и среди них - много любителей. В XIX веке ученый - это профессия: их работа меньше зависит от милости меценатов или личного состояния, работают ученые в лабораториях или даже специальных научных институтах. Это облегчает их личные контакты, способствует обмену мнениями, ускоряет распространение новых идей. Приведем один важный для нас пример.

В 30-е годы XIX века в Берлинском университете работали два молодых ученых - М. Шлейден и Т. Шванн. Ботаник Шлейден при одной из встреч рассказал своему приятелю зоологу Шванну, что, оказывается, во всех клетках растений имеются ядра и они играют важную роль в жизнедеятельности клеток. Тогда зоологу Шванну пришло в голову, что "пузырьки", которые он видел в тканях животных и которые клетками не считали, потому что они не отделяются друг от друга хорошо видимыми стенками, как у растений, на самом деле, вероятно, и есть настоящие клетки - ведь у них тоже имеются ядра! Обратившись к микроскопу, оба ученых убедились, что общность картины несомненна. Таким образом, личный контакт двух биологов ускорил создание клеточной теории, 150-летие которой будет отмечаться в 1989 г.

Вообще, появление научных коллективов, научных школ является характерной чертой, отличающей науку XIX века. Ученые одной школы вырабатывали общую позицию, имели общих учеников, обменивались результатами; научная школа - это в некотором смысле коллективный разум.

Дальнейшее развитие электробиологии тесно связано с научным коллективом, родоначальником которого был профессор Берлинского университета И. Мюллер. Его учениками были Т. Шванн - создатель клеточной теории, Р, Вирхов - один из создателей клеточной физиологии, Э. Геккель - знаменитый дарвинист, сформулировавший биогенетический закон, Г. Гельмгольц - один из открывателей закона сохранения энергии и многие другие. Его учеником был и Эмиль Дюбуа-Реймон - "отец" электрофизиологии, Дюбуа-Реймон и его друзья

Еще в студенческие годы Э. Дюбуа-Реймон вместе со своими друзьями К. Людвигом, Э. Брюкке и Г. Гельмгольцем выработали четкую научную программу; создать новую физико-химическую биологию.

В одном из своих ранних писем Дюбуа писал: "Брюкке и я - мы поклялись выявить правду, что в организме не действуют никакие иные силы, кроме физических и химических".

Слова "иные силы" - это намек на "жизненную силу", с помощью которой в то время большинство ученых объясняли жизненные процессы. В противовес этой точке зрения четверо друзей утверждали, что физика должна не просто служить образцом экспериментального подхода к природе и строгости рассуждений, но и прямо использоваться для объяснения биологических явлений. Они считали, что знание физики необходимо для биолога, и учебники по физиологии, которые они напишут, став маститыми и знаменитыми, будут начинаться с изложения физических законов. Во всех своих работах при изучении самых разных физиологических явлений друзья оставались верны своей биофизической программе.

Научная жизнь Дюбуа была очень удачной. Уже в возрасте 33-х лет он стал членом Прусской академии наук. Ему удалось создать специальный институт, где были отделы физики химии микроскопических исследование специальные мастерские, где изготавливались приборы в оборудование. В этом институте бывали и работали многие немецкие и приезжие ученые; например, из России приезжали И.М. Сеченов, Н.Е. Введенский, В.М. Бехтерев, знаменитый врач С.П. Боткин и др. Именно в результате работ Дюбуа возник новый отдел физиологии - физиология мышц и нервов.

А началось все с того, что в 1841 г.И. Мюллер дал ему, тогда 22-летнему студенту третьего курса, тему для самостоятельной работы - повторить опыты Меттеучи, который к этому времени стал уже академиком.

Дюбуа увлекся этой темой, и хотя в дальнейшем он иногда занимался другими вопросами, фактически всю свою научную жизнь посвятил электрофизиологии.

Продумывая полученное от Мюллера задание, Дюбуа понял, что "повторить" опыты Маттеучи не так-то просто: в это время каждый ученый имел приборы собственной конструкции, и сопоставлять их показания было практически невозможно. Поэтому Дюбуа, выполняя курсовую работу, одновременно поставил своей задачей разработать специальное оборудование, которое позволило бы в разных лабораториях получать сравниваемые результаты. В итоге он создал комплекс приборов, обслуживающий все основные моменты исследований: раздражение мышц и нервов, отведение возникающих в них потенциалов, т.е., как их принято называть, биопотенциалов, и их регистрацию.

Прибор для раздражения, который назывался "санный аппарат Дюбуа-Реймона", позволял строго дозировать раздражающее воздействие. Он представлял собой две катушки с большим числом витков; одна катушка могла выдвигаться из другой, скользя по специальным полозьям. К внутренней - первичной - катушке присоединили источник тока - гальванический элемент Даниэля с известным значением э. д. с. В цепь был включен прерыватель тока - молоточек Нефа, такой, какой сейчас используют в электрическом звонке. Во вторичной катушке возникал индукционный ток; этим индукционным током раздражали нерв или мышцу. Если одну из катушек выдвигали далеко из другой, то раздражающий ток был слабее; степень выдвижения катушек отмечалась на специальной линейке. И если в статьях по биологии было написано: "Сила раздражения была равна 12 см", все понимали это однозначно. Индукционные катушки использовались в биологических лабораториях еще в 50-х годах нашего века; только лет двадцать пять назад их вытеснили электронные генераторы тока, так называемые электростимуляторы.

Усовершенствование, введенное Дюбуа для отведения биопотенциалов, было очень существенным: он понял, что биопотенциалы нельзя отводить просто медными проволочками, так как в месте соприкосновения металла с тканью возникают потенциалы, вполне сравнимые с теми, которые хотят измерить. Разработанные Дюбуа специальные электроды не создавали такой разности потенциалов.

Трудности, связанные с измерением биопотенциалов, сходны во многом с трудностями измерения э. д. с. источника; их не устранить только повышением чувствительности приборов, необходимо еще, чтобы внутреннее сопротивление прибора было гораздо выше внутреннего сопротивления источника тока. Дюбуа остроумно обошел эти трудности, придумав так называемый компенсационный метод измерения потенциала, возникающего в мышце.

Все эти, казалось бы, технические и потому второстепенные усовершенствования на самом деле сыграли немаловажную роль в том, что исследования Дюбуа-Реймона, начатые им на студенческой скамье, стали выдающимся достижением науки того времени. Более того, они оказали существенное влияние и на уровень всех проводимых в то время работ по электробиологии, так как Дюбуа-Реймон широко пропагандировал свои приборы, дарил их своим коллегам. Словом, как теперь сказали бы, занимался внедрением своего комплекса, добиваясь стандартизации электрических измерений в биологии.

Следует отметить, что такая стандартизация совершенно необходима для соблюдения общепринятого в современной науке требования к эксперименту - требования воспроизводимости. Так что внимание Дюбуа к "технической", методической стороне дела следует рассматривать как серьезный вклад в разработку общих принципов методологии естественных наук.

Работы Дюбуа-Реймона шли в двух основных направлениях: во-первых, он изучал токи, генерируемые живыми тканями; во-вторых, он изучал законы действия электрического тока как раздражителя нервов и мышц.

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

Основные явления электробиологии: биопотенциалы

Если надрезать мышцу поперек волокон, то между разрезом и нетронутой поверхностью мышцы обнаруживается разность потенциалов. Ток, регистрируемый при этом, Дюбуа-Реймон назвал током повреждения.

Если раздражать нерв или мышцу, то в месте раздражения возникает электрический сигнал, который распространяется по нерву или мышце; этот сигнал Л. Герман назвал током действия.

Со всей присущей ему тщательностью Дюбуа применил разработанный им комплекс приборов к изучению этих явлений. Так, он не просто повторил опыты Маттеучи, показавшего, что в поврежденной мышце возникает электрический ток, а проверил, как меняется картина, если электроды помещать ближе к месту повреждения или дальше, что будет, если оба электрода ввести в поврежденный конец мышцЫа зависит ли ток повре; кдения от направления разреза и его величины, одинаково ли явление в разных мышцах и т.д.

Оказывается, что во всех мышцах наблюдается примерно одинаковая картина: по наружной поверхности поврежденной мышцы идет электрический ток по направлению к месту разреза, причем с течением времени сила тока ослабевает. Этот процесс довольно длителен: ток исчезает через несколько часов после повреждения.

Дюбуа пробовал обнаружить подобные явления и на других тканях и получал уже совсем новые результаты. В 1843 г. он открыл ток повреждения в нерве. Сделав эти открытия, Дюбуа исследовал нервы самых разных животных: омара, щуки, лягушки, утки, кролика, кошки, собаки - так что его можно считать основателем сравнительной электрофизиологии. Во всех случаях значения потенциала повреждения оказались примерно одинаковыми, и Дюбуа сделал вывод, что нервы самых разных животных устроены достаточно сходно. Он первый получил своеобразную электроэнцефалограмму, обнаружив ток повреждения в коре больших полушарий.

Кроме того, в 1848 г. Дюбуа обнаружил разность потенциалов между наружной и внутренней поверхностями кожи лягушки. Эту разность потенциалов он объяснил работой кожных желез и, как вы дальше узнаете, был недалек от истины.

Результаты своих исследований Дюбуа-Реймон изложил в трех больших томах "Исследования по животному электричеству". Разумеется, в этих томах не все данные были получены лично Дюбуа. Но именно он был тем человеком, который привел все сведения о "животном электричестве" в систему провел колоссальную работу по их уточнению и восполнению недостающих деталей. Он описал, при каких условиях, где, на каких объектах можно наблюдать биопотенциалы, привел их характеристики и т.д., словом, как это принято говорить,, дал полную феноменологическую картину"

И.М. Сеченов писал о Дюбуа-Реймоне: "Произнося имя знаменитого берлинского профессора Дюбуа-Реймона, нельзя не сказать сразу, что он принадлежал к числу тех избранников, которые прокладывают пути в темные области не для одного, а для нескольких поколений".

Раздражающее действие тока: Дюбуа-Реймон

Еще Вольта пытался "внести меру" в изучение раздражающего действия тока, но у него ничего не вышло, потому что лапка лягушки была куда более чувствительна, чем лучшие его электроскопы. Дюбуа начинает заново изучение этого вопроса: у него есть новые источники раздражения - гальванические элементы или санный аппарат - и чувствительные гальванометры.

Прежде всего Дюбуа пробует раздражать мышцу, включая постоянный раздражающий ток разной силы. Ему удается измерить ту минимальную силу тока, которая заставляет мышцу сократиться. Эту минимальную силу тока Дюбуа назвал постоянной силой раздражения. Тем самым он ввел одно из основных понятий электробиологии. Выяснилось, что порог не является абсолютной константой: например, разные мышцы имеют разные пороги.

Дюбуа пробует выяснить, как будет действовать па мышцу не постоянный ток, а ток, постепенно нарастающий по времени. Обнаружилось, что скорость нарастания [тока очень важна: если включать постоянный ток, то мышца возбуждается при небольших силах тока, если же увеличивать силу тока постепенно, начиная с нуля, то мышца не возбуждается и при значительно более сильном токе. Более того, при достаточно медленном нарастании силы тока мышца могла вообще не возбудиться. Впечатление было такое, как будто бы при медленном нарастании тока мышца "привыкает" к его действию.

Наконец, Дюбуа-Реймон попробовал выяснить, как влияет на мышцу время действия тока: для этого он включал постоянный ток на некоторое время и выключал его. На основании таких опытов он пришел к заключению, что время действия тока не играет никакой роли, и ошибся. В этом случае его подвело несовершенство приборов - он не мою включать ток на сотые или тысячные доли секунды.

Что же удалось выяснить Дюбуа о, может быть, самом главном процессе - "электрической картине", развивающейся в нерве или мышце в ответ на раздражение? Очень немногое. Препятствием тут послужила та же трудность - невозможность работать с кратковременными электрическими сигналами. Все гальванометры Дюбуа были сильны инерционными и не позволяли регистрировать кратковременные токи.

Эти трудности удалось преодолеть ученикам и последователям Дюбуа. А таких было много, - и все они испытали на себе влияние работ Дюбуа и его личности, переняли от него не только научную позицию, но и стиль работы: внимание к технике эксперимента, тщательность в выяснении деталей. Так что Дюбуа-Реймон был не только "отцом электробиологии", но и "научным отцом" большинства электрофизиологов того времени, т.е. главой обширной и очень плодотворной научной школы.

Однако не следует думать, что его последователи слепо и почтительно подражали своему мэтру, стараясь подтверждать и, может быть, чуть-чуть развивать сделанное им. Пожалуй, как раз наоборот: научная жизнь школы Дюбуа была достаточно бурной. Не остановившись в свое время перед тем, чтобы выступить с программой, опровергающей основную позицию своего учителя Мюллера - сторонника "жизненной силы", Дюбуа-Реймон вырастил таких же строптивых учеников.

И именно в школе Дюбуа-Реймона возник второй "великий спор", по своему значению и результатам сравнимый со спором Гальвани и Вольта.

Раздражающее действие тока: последователи

Заключение Дюбуа, что время действия тока не влияет на эффективность его раздражающего действия, - одна из его немногих фактических ошибок. Эта ошибка была исправлена одним из его последователей профессором Цюрихского университета А. Фиком. Интересно, как он обошел трудность, связанную с отсутствием нужных приборов. Он рассудил, что если невозможно получить достаточно короткие импульсы раздражающего тока, потому что мышца реагирует очень быстро, то нужно поискать мышцу, в которой возбуждение идет помедленнее. А так как Фик занимался сравнительной физиологией, то знал, у кого искать такие мышцы. И вот на мышце моллюска беззубки он смог показать, что даже очень сильные токи не вызывают возбуждения, если они действуют короткое время. Чем слабее ток, тем дольше он должен действовать, чтобы возбудить мышцу.

Эти наблюдения были одним из первых законов электробиологии, который удалось выразить в виде формулы. Количественная зависимость пороговой силы тока от времени его действия в виде формулы выражается так:

где а и Ъ - константы.

Если посмотреть на график этой зависимости, то можно понять, почему Дюбуа считал время действия тока несущественным: он работал с токами большой длительности, а гипербола при таких значениях длительности идет практически параллельно оси абсцисс. Можно сказать, что Дюбуа-Реймона подвела гипербола!

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

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

Можно было бы рассказать еще о десятках и десятках интересных опытов и привести массу фактов и обнаруженных в это время закономерностей. Однако, поступи мы так, разумный читатель наверняка стал бы пропускать страницы, а то и совсем бросил бы читать. И в некотором смысле он был бы прав. Постепенно наступало время, когда сильная сторона школы Дюбуа-Реймона стала оборачиваться недостатком: многочисленные эксперименты, примерно повторяющие уже десятки раз сделанное с некоторой модификацией или уточнением, уже, скорее, создавали помеху в работе, чем способствовали движению науки вперед.

Эксперимент - основа естественных наук, но сам по себе, не уложенный как кирпичик в общее здание теории, он дает ответ только на вопрос, что происходит, и не может объяснить, как и, главное, почему это происходит.

И несчастные студенты в течение ста лет вынуждены были учить к экзаменам все эти разрозненные факты, не имея понятия, как они между собой связаны и что за ними стоит, в чем механизм таких явлений, как рефрактерность, аккомодация, порог раздражения, а главное, - откуда берется электричество в организме.

Потерпите и вы еще немного: прежде, чем перейти к "развязке", рассказу о том, как наконец была разгадана тайна "животного электричества", мы расскажем еще о двух работах, важных не только по существу, но и потому, что здесь выступают на сцену новые герои нашего романа об электробиологии. Обе эти работы сближает то, что в них с помощью остроумных приемов удалось преодолеть уже упоминавшуюся трудность того периода - сложность изучения кратковременных процессов.

Скорость распространения возбуждения

В 1846 г. И. Мюллер писал: "Время, необходимое для передачи ощущения с периферии тела в мозг и для возвращения возбуждения к мышцам, бесконечно мало и измерено быть не может". Однако всего через 4 года это время удается измерить.

Мюллер, как мы упоминали, считал возбуждение проявлением "жизненной силы", а как она распространяется - кто знает! Но и электрический сигнал по проводам тоже распространяется почти мгновенно - это уже было известно. Если считать, что возбуждение, идущее по нерву, имеет электрическую природу, то, по-видимому, бессмысленно пытаться измерить его скорость - слишком малы расстояния. И все же нашелся человек, который сделал такую попытку: зто был друг Дюбуа-Реймона, замечательный ученый Герман Гельмгольц.

В 1850 г. Гельмгольц был профессором физиологии Кенигсберского университета. Там он и придумал несколько вариантов опытов для измерения скорости возбуждения. Один из вариантов опыта выглядел так. На вращающийся барабан была намотана закопченная бумага. Гельмгольц брал нервно-мышечный препарат и закреплял мышцу около барабана. К мышце прикреплялось перо, так что сокращение мышцы вызывало след на движущейся бумаге. Когда нерв раздражался, момент раздражения с помощью специального устройства отмечался на ленте. На той же бумажной ленте было видно, через какой промежуток времени отвечает сокращением мышца. Так можно было узнать время от момента раздражения нерва до начала сокращения мышцы. Но толку от этого было мало: ведь за это время возбуждение должно было дойти по нерву до мышцы, передать мышце сигнал к сокращению, после чего в мышце должен был развиться процесс сокращения.

Как разделить все эти времена? Гельмгольц придумал такой способ. Он раздражал нерв вторично, но в другом месте, например на расстоянии 5 см от первой точки раздражения. Теперь сокращение мышцы наступало немного позднее, считая от момента раздражения. Разница этих времен могла зависеть только от того, что возбуждение прошло лишние 5 см. Зная скорость вращения барабана, можно было определить время запаздывания, а так как расстояние между двумя точками раздражения нерва было известно, можно было определить и скорость распространения возбуждения по волокну.

Оказалось, что возбуждение распространяется по нерву со скоростью всего 30 м/с, т.е. в сто миллионов раз медленнее, чем электрический сигнал, и даже в десять раз медленнее, чем звук! Этот результат, с одной стороны, был сильным ударом по представлениям о мгновенно распространяющейся "жизненной силе", но, с другой стороны, поставил перед электробиологией новый сложный вопрос: чем же объясняется такое сильное отличие этой скорости от скорости распространения электрического сигнала в металлах и электролитах? Получается, что "животное электричество" не так-то просто поддается объяснению с помощью тех понятий, которые были выработаны для электричества "неживого", чисто физического. В связи с этим возобновились разговоры об особых свойствах "животного электричества", в то время как другие ученые высказывали сомнение об электрической природе распространения возбуждения по нервным волокнам.

"Волна возбуждения"

Это сомнение было развеяно учеными младшего поколения школы Дюбуа-Реймона, в дальнейшем ставшими главными героями науки о "животном электричестве", - Юлиусом Бернштейном и Людвигом Германом. Они сильно продвинули вперед изучение "белого пятна" в явлениях электробиологии - процесса возбуждения в нервах и мышцах.

Как вы помните, "уловить" электрические характеристики возбуждения очень трудно - сам Дюбуа не смог решить этой задачи, так как процессы возбуждения очень быстры, кратковременны. Поэтому с помощью даже очень высокочувствительных, но обладающих большой инерцией гальванометров, имевшихся тогда в распоряжении исследователей, можно было лишь с достоверностью обнаружить сам факт электрического ответа мышцы или нерва, но не проследить за изменениями его во времени. Однако Герман и Бернштейн успешно справились с этой очень трудной для того времени задачей. Мы не будем подробно описывать их многочисленные и остроумные ухищрения, а приведем лишь результаты исследований. Им удалось установить форму волны возбуждения и измерить скорость распространения этого электрического сигнала вдоль по мышце или нерву.

Обнаружилась картина, изображенная на рис.9: сначала возбуждение от раздражающих электродов подходит к первому регистрирующему электроду, и он становится отрицательно заряженным по отношению ко второму. Герман и Бернштейн проследили за движением импульса по волокну и даже - что очень важно - измерили скорость этого движения, т.е. скорость распространения возбуждения. А важно это потому, что скорость оказалась точь-в-точь равной той, которую за двадцать лет до того измерил Гельмгольц!

Подведем некоторые итоги. К концу XIX века в основном стараниями ученых школы Дюбуа-Реймона были открыты и исследованы основные электрофизиологические явления потенциал покоя, который вначале называли током повреждения, потенциал действия, который распространяется по волокну, а также были исследованы некоторые феноменологические законы раздражающего действия тока, например, было введено понятие рефрактерности.

Однако до объяснения этих явлений было еще далеко. Главная загадка состояла в том, откуда и как возникают потенциал покоя и потенциал действия? Где та электростанция, тот генератор, которые их создают?

Несмотря на значительное развитие теории электричества и электротехники природу ПП и ПД не удавалось сколь-нибудь удовлетворительно объяснить. Электрохимия еще не имела достаточной теоретической базы, хотя изучение тока и началось с появления вольтова столба, т.е. электрических процессов на границе жидкости.

Порой даже создавалось впечатление, что электрические явления в живом организме нельзя свести к тем, которые встречаются в технических устройствах. Например, нервный импульс имел электрическую природу, но распространялся по нерву с необычайно малой скоростью, Масса накопленных фактов требовала создания объединяющей их теории.