Валерий Чолаков - Нобелевские премии. Ученые и открытия

Эти опыты были поставлены в Кембриджском университете, где существовала крупная школа физиологов. После первой мировой войны туда вернулся из госпиталя молодой исследователь, который приступил к изучению нервных путей с помощью самой совершенной техники того времени. Эдгар Дуглас Эдриан, используя электронные усилительные лампы, которые обеспечивали тысячекратное усиление сигнала, смог уловить импульсы единичных нервных волокон — отростков нейрона. Он получил интересные данные о характере и распределении импульсов, которые впоследствии оказались очень ценными при изучении механизма возникновения биоэлектрического импульса.

Эдриан достиг больших успехов в исследовании проводящих путей нервных импульсов, особенно органов, чувств. За свои работы он был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине. Вместе с ним был награжден. один из ветеранов нейрофизиологии — Чарлз Скотт Шеррингтон, исследовавший нейронный механизм рефлексов. Оба ученых получили премию за исследование функции нейронов. Эту проблему они рассматривали с разных сторон, взаимно дополняя результаты друг друга.

Технические усовершенствования обеспечили возможность более глубокого изучения функций нервов — проводников биоэлектричества. После работ Германа Гельмгольца, который в конце прошлого века измерял скорость прохождения нервного импульса, в нашем столетии исследования этого рода продолжали бурно развиваться. Густав Йотлин установил, что толстые волокна проводят импульсы с большей скоростью. Эдриан открыл, что импульсы выделяются сериями, причем их частота повышается с увеличением силы раздражения. Это наводило на мысль, что нервы, подобно кабелям, состоят из пучков волокон-проводников. Джозефу Эрлангеру и Герберту Спенсеру Гассеру выпало счастье первыми установить сложную структуру нерва. В 1920 г. на конгрессе инженеров в Чикаго, демонстрировались новые радиолампы-усилители и усовершенствованные электронные осциллографы, которые спустя два десятилетия после их изобретения Карлом Фердинандом Брауном достигли довольно высокого уровня. Записав с помощью этой техники нервные импульсы с весьма высокой точностью, Эрлангер и Гассер пришли в 1924 г. к выводу, что их сложный характер можно довольно легко объяснить, если принять, что сам нерв состоит из нескольких типов волокон, проводящих электрические импульсы с разной скоростью. Эти двое американских ученых, работавшие в известном Институте Джорджа Вашингтона в Сент-Луисе (шт. Миссури), установили наличие трех типов волокон, которые были обозначены первыми тремя буквами латинского алфавита. Наиболее толстые волокна типа А проводят импульсы со скоростью 5—100 м/с, волокна типа В — со скоростью 3—14 м/с и волокна типа С — со скоростью 0,3—3 м/с.

Эрлангер и Гассер сумели доказать, что отдельные волокна, входящие в состав нерва, служат различным целям. Толстые волокна, передающие импульсы с высокой скоростью, несут команду для быстрого действия мышц. Более тонким волокнам, по которым передается информация от органов чувств, столь высокая скорость не нужна. С наименьшей скоростью переносят импульсы нервные нити, проводящие, например, чувство боли. Это разнообразие — результат миллионов лет эволюции, в ходе которой выживали только существа, наиболее быстро приспосабливающиеся к окружающим условиям.

В 1944 г., когда вторая мировая война подходила к концу, комитет при Каролинском институте возобновил свою деятельность, тогда-то премия по физиологии и медицине была присуждена Эрлангеру и Гассеру за открытие высокодифференцированных функций единичных нервных волокон. Работы этих ученых явились крупным шагом вперед в развитии нейрофизиологии — науки, исследующей нервные структуры во взаимосвязи с их функциями.

К 50-м годам были получены наконец результаты, которые бесспорно показывали, как проводится нервный импульс. Еще Дюбуа-Реймон высказывал предположение, что биотоки обусловлены ориентацией молекул в живой клетке. После этого некоторые ученые связывали работу нерва с различными биохимическими процессами в его протоплазме. Постепенно, однако, выяснялось, что нервный импульс связан с мембранными явлениями. Известный физико-химик Вильгельм Фридрих Оствальд еще в 1890 г. высказал мысль, что возникновение электрических зарядов обусловлено различием в проницаемости ионов. В 1902 г. Юлиус Бернштейн, продемонстрировав замечательную интуицию и глубокое понимание проблемы, разработал первую мембранную теорию, которая объясняла появление нервного импульса различием в концентрации ионов на внутренней и внешней сторонах мембраны и изменением ее проницаемости. Эта теория была довольно умозрительной, но время показало, что в принципе она верна. В 1904 г. Эрнест Овертон внес важное уточнение в теорию, предложив механизм образования мембранного потенциала. Он выдвинул гипотезу, что электрический заряд возникает в результате различия концентрации ионов натрия и калия с разных сторон мембраны нервной клетки. Прошло почти полвека, прежде чем эта гипотеза стала научным фактом. В ее утверждение внесли вклад многие исследователи, среди которых особо следует выделить Алана Ллойда Ходжкина и Андру Филлинга Хаксли.

Их успех в значительной степени был обеспечен удачным выбором объекта для исследования. В 1938 г. Ходжкин находился в командировке в известной Морской лаборатории в Вудсхолле (шт. Массачусетс), где познакомился с работой К. Коула и Г. Дж. Кёртиса, которые изучали прохождение нервных импульсов по гигантским аксонам кальмаров. Это необыкновенные нервные волокна: их диаметр достигает 1 мм. Такие крупные размеры волокон обусловлены необходимостью быстрого прохождения импульсов, так как кальмары, сепии и осьминоги — активные, быстро плавающие хищники. Поверхность нервного волокна возрастает пропорционально квадрату линейного увеличения диаметра, и это повышает возможность прохождения импульса. У человека и других позвоночных животных проблема высокой скорости передачи нервных импульсов решена технически более элегантно: их нервные волокна обвиты изолирующей миелиновой оболочкой (из мякотных нервных волокон), причем мембрана нервов открыта в так называемые перехваты Ранвье. Импульс проходит только в тех участках, где нет изоляции, и распространяется не по всей длине нерва, а движется по нему скачкообразно, одновременно с этим происходит усиление импульса.

Подобная структура выглядит значительно более совершенной, но также очень трудна для исследования. Счастливое открытие зоолога Дж. Йонга, который в 1936 г. установил, что огромные аксоны кальмаров вполне можно исследовать невооруженным глазом, предоставило нейрофизиологам замечательный объект для исследований. Ходжкин и Хаксли с помощью различных экспериментов подтвердили гипотезу Овертона. Один из таких опытов, задуманный П. Бейкером и Т. Шоу и проведенный ими вместе с Ходжкином в 1961 г., наилучшим образом иллюстрирует мембранную теорию.

Они взяли аксон кальмара и выдавили его из протоплазмы. После этого вводили в нервное волокно различные растворы и проверяли, как концентрация ионов сказывается на передаче нервного импульса. Было установлено, что мембранный потенциал зависит от концентрации калия и натрия снаружи и внутри нервного волокна. В плазме аксона концентрация ионов калия в 20—50 раз больше, чем в межклеточной среде, где преобладают ионы натрия и хлора. Это обусловлено тем обстоятельством, что мембрана свободно пропускает калий, но очень слабо — натрий. При возбуждении, когда проходит импульс, мембрана становится проницаемой и для натрия. В состоянии покоя на разных сторонах мембраны накапливаются электрические заряды разных знаков, что и обусловливает возникновение его мембранного потенциала. При возбуждении происходит деполяризация: проникновение ионов натрия в нервную клетку нейтрализует потенциал, а затем приводит к инверсии зарядов. В состоянии покоя внутренняя сторона клеточной мембраны заряжена отрицательно по отношению к внешней, а в момент возбуждения — положительно.

После того как импульс проходит, вступает в действие мембранный ферментативный комплекс, так называемый «натриевый насос», который восстанавливает исходное состояние нервной клетки и подготавливает ее для следующего импульса. Это занимает несколько миллисекунд, и поэтому импульсы не могут следовать друг за другом непрерывно. Мембранная теория Ходжкина и Хаксли, описывающая процессы генерации и передачи нервных импульсов, явилась крупным достижением физиологии XX в. Основные подтверждения в ее пользу были получены в 50-е годы, а в 1963 г. А. Ходжкину и А. Хаксли вместе с Джоном Эклсом была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине. (Интересно отметить, что Аидру Хаксли — внук известного естествоиспытателя Томаса Хаксли, одного из соратников Дарвина, брат крупного биолога Джулиана Сорелла Хаксли и писателя Олдоса Хаксли.)