Физиология возбудимых тканей в опытах

© ООО «Издательство „СпецЛит“», 2016

Эксперимент – это важнейший способ изучения физиологии, он помогает осмыслению и запоминанию материала. Наиболее сложной, по мнению студентов, является физиология возбудимых тканей (нервной и мышечной). Трудно понять и без доказательств поверить, например, в то, что мембрана клетки является генератором электроэнергии.

На нашей кафедре студенты участвуют в постановке острых опытов на практическом занятии. Самостоятельно готовиться к их выполнению и сэкономить время занятий помогут содержащиеся в учебном пособии иллюстрированные фотографиями описания экспериментов. Кроме того, есть возможность наблюдать через систему дистанционного обучения эксперименты в снятых на кафедре видеофильмах (что важно в условиях сокращения аудиторных часов).

Однако студентам не всегда удается самостоятельно применить теоретические знания для объяснения полученных результатов. Часто возникают сложности с терминами, которые используются в описании классических опытов, таких как, например, «ток повреждения». Поэтому в учебное пособие включены ответы на наиболее часто встречающиеся вопросы и необходимые исторические аспекты. Пособие является дополнением к рекомендованному основному учебнику и уже изданным учебным пособиям по данной тематике.

Авторы пособия выражают благодарность за помощь в проведении съемок старшему лаборанту кафедры М. Н. Квет.

Впервые опыт, который неопровержимо доказывает существование электричества в живых тканях, проведен итальянским врачом Луиджи Гальвани в конце XVIII в. Для проведения этого опыта из задней лапки лягушки подготавливают нервно-мышечный препарат, состоящий из икроножной мышцы, седалищного нерва и части позвоночника (рис. 1). На икроножной мышце делают надрез (рис. 2) и набрасывают на нее дистальный отрез седалищного нерва, при этом мышца сокращается. Нерв должен располагаться так, чтобы он касался и поврежденного, и неповрежденного участков мышцы (рис. 3). В опыте отсутствуют какие-либо источники тока, значит, живые ткани сами «производят» электричество.

Рис. 1. Препарат из задней лапки лягушки

Рис. 2. Надрез на мышце

Рис. 3. Нерв наброшен на мышцу (объяснение в тексте)

Этот опыт называют вторым опытом Гальвани, или опытом без металла, поскольку ему предшествовал первый вариант опыта, в котором сокращение происходит, когда лапки лягушки, подвешенные на медном крючке, прикасаются к железной пластинке. В этом случае цепь из разнородных металлов, разделенных раствором электролита, образует источник постоянного тока (гальванический элемент). Л. Гальвани потратил несколько лет, чтобы изменить опыт и доказать наличие «животного электричества». Естественно, научно объяснить это явление 200 лет назад было невозможно.

В 30-х гг. XIX в. Карло Маттеуччи повторил опыт своего учителя и с помощью гальванометра впервые определил, что поврежденный участок мембраны заряжен отрицательно, а неповрежденный – положи тельно (см. рис. 3), между ними возникает электрический ток, названный «током повреждения», или «током покоя». Тогда существовало ошибочное представление, что электричество в буквальном смысле «перетекает» с мышцы на нерв подобно току крови в сосудах.

Термины «возбуждение» и «возбудимость» были введены немецким физиологом Э. Дюбуа-Реймоном в середине XIX в. Он выяснил, что под воздействием раздражителя происходит возбуждение, тогда «ток покоя» уменьшается и меняет свое направление – появляется «ток действия». «Ток повреждения», возникающий во втором опыте Гальвани, следовательно, служит для нерва раздражителем.

Э. Ф. Пфлюгер, ученик Дюбуа-Реймона, сформулировал полярный закон, согласно которому при воздействии постоянного тока на ткань возбуждение возникает только при замыкании цепи (под катодом) и при размыкании (под анодом). Действительно, лапка сокращается только дважды: первый раз в момент набрасывания нерва на поврежденный и неповрежденный участки мышцы (замыкание цепи), второй – при снятии нерва с мышцы (размыкание), в промежутке между этими событиями сокращений не происходит. Угнетение возбудимости длительным действием катода постоянного тока открыл русский физиолог Б. Ф. Вериго, назвав ее катодической депрессией.

В середине ХХ в. появилась возможность изучения электрических процессов в отдельной нервной клетке. Для этой цели использовали гигантские аксоны кальмара, диаметр которых достигает 1 мм, что в 100 раз больше, чем у позвоночных животных. Это позволяет вводить внутрь волокна микроэлектроды, не разрушая его. На основе таких исследований английские физиологи А. Ходжкин, Э. Хаксли и Б. Катц сформулировали мембранно-ионную теорию биоэлектрогенеза. А в 70-е гг. прошлого века Э. Неером и Б. Сакманом внедрен метод изучения ионных токов через отдельный мембранный канал. Оказалось, что мембранный потенциал обусловлен разной концентрацией ионов внутри и снаружи клетки. А ток ионов происходит сквозь мембрану, значит, направлен поперек волокна, а не вдоль него. Под воздействием раздражителя открываются дополнительные катионные каналы в мембране, число перемещающихся ионов резко возрастает, что приводит к изменению полярности. Возникший потенциал действия создает электрическое поле, вызывающее возбуждение соседних участков (т. е. открытие каналов).