Чтение онлайн

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.)

Изменение электрических зарядов приводит к возникновению в нервных клетках локальных токов и появлению волны возбуждения, т. е. нервного импульса. В организме этот импульс всегда распространяется от рецепторов к мозгу, а от него — к различным органам тела. Природа изобрела замечательный механизм, обеспечивающий прямолинейность проведения нервного сигнала и контроль за ним. Это своеобразное реле, которым заканчивается нерв, Шеррингтон назвал синапсом («связью»). В точке соприкосновения нерва с другим нервом или мышцей, железой и т. д. электрический сигнал преобразуется в химический. Возбужденная мембрана выделяет вещества-медиаторы, которые диффундируют к соседней мембране. Химическое воздействие возбуждает другой нерв, порождает новый электрический импульс. В синапсе импульс распространяется только в одном направлении. Химическое действие может не только возбуждать, но и подавлять нервный импульс, что очень важно для работы мозга. Исследование химических медиаторов началось в первые десятилетия нашего века. Это были первые шаги в чрезвычайно сложной области психохимии, которая сегодня составляет одну из увлекательнейших глав физиологии.

Ученые, занимавшиеся исследованием биоэлектрических явлений в нервной системе, считали совершенно естественным, что нервы, подобно телеграфным кабелям, осуществляют связь как между собой, так и с различными органами тела. В начале века, однако, обнаружилось, что в работе нервной системы принимают участие химические вещества. В 1904 г. Томас Рентой Эллиот выделил из сердцевины надпочечников адреналин — вещество, которое оказывало на организм такое же воздействие, как и возбуждение симпатической нервной системы. Исследователь предположил, что это соединение вырабатывается в окончаниях нервных волокон симпатической нервной системы. Через десять лет, в 1914 г., Генри Халлетт Дейл опубликовал результаты исследований ацетилхолина. По своему воздействию это вещество напоминало возбуждение парасимпатической нервной системы, но оно в отличие от адреналина не обнаруживалось в теле, и это весьма затрудняло исследования.

Такие результаты привели ученых к мысли, что нервное возбуждение может вызываться определенными химическими соединениями, -своеобразными переносчиками возбуждения. Эти гипотезы утвердились лишь в 1921 г., когда Отто Леви поставил простой, но довольно своеобразный эксперимент. Изолировав и поместив в раствор сердце лягушки, он с помощью маленькой трубочки соединил его с сердцем другой лягушки. Раздражение первого сердца вызывало сокращение второго, что указывало на выделение в раствор какого-то вещества, способного вызывать нервные импульсы. Оно присутствовало в ничтожной концентрации, поэтому его выделение и определение было сопряжено с большими трудностями. Лёви и его сотрудник Э. Навратил открыли растительные соединения, тормозящие разложение парасимпатического вещества, что дало возможность установить его природу: это был хорошо известный ацетилхолин.

В дальнейшем указанное соединение было обнаружено и в других органах. Лёви и Навратил показали, что существует специфический фермент холинэстераза, который вызывает быстрое разложение ацетилхолина, и поэтому последний встречается в минимальных количествах. На этом этапе исследований большую роль сыграли работы Г. Дейла. Используя метод, созданный Алексеем Васильевичем Кибяковым и независимо Вильгельмом Фельдбергом и Джоном Гэддамом, Дейл показал, что ацетилхолин образуется и в нервных связях различных структур нервной системы. Это вызвало оживленные дискуссии, так как впервые был поставлен вопрос о том, связана ли передача импульсов в нервной системе с химическими веществами.

Хотя, как уже говорилось, ацетилхолин выделяется в нервных окончаниях в ничтожно малых количествах (около одной стотысячной миллиграмма), Дейл и его сотрудники смогли показать, что он всегда возникает при передаче нервного импульса в синапсах (в местах соединения двух нервов или нервного волокна с рабочими органами, такими, как мышца, железа и т. д.).

Открытия Лёви, работавшего в Институте фармакологии в Граце (Австрия), и Дейла — из Национального института медицинских исследований в Лондоне положили начало нейрохимии, из которой в дальнейшем выросла психохимия. Это ознаменовало революционный переворот в изучении нервной системы. Новые идеи утвердились в результате упорной борьбы и получили признание в решении Каролинского института присудить в 1936 г. Нобелевскую премию по физиологии и медицине Г. Дейлу и О. Лёви за исследования химической природы передачи нервных импульсов. Это знак уважения к трудам двух ученых, которые в то время вместе работали в лаборатории Э.Г. Старлинга в Лондоне и сохранили тесные контакты в дальнейшем.

Открытие химических медиаторов оказало большое влияние на исследования в области нейрохимии. Вслед за адреналином и ацетилхолином был выделен ряд других веществ, участвующих в передаче нервных импульсов. К ним относятся такие соединения, как норадреналин, гистамин, серотонин и др. Этими открытиями заинтересовались многие фармакологи, так как изучение медиаторов позволило объяснить действие ряда токсичных и лекарственных препаратов и способствовало поиску новых лекарств. Итальянский химик Даниеле Бове, работавший почти 20 лет у Эмиля Ру в Пастеровском институте в Париже, посвятил свои научные исследования веществам, блокирующим действие химических медиаторов.

Еще в 1937 г. Бове получил первый антигистаминовый препарат, на основе которого впоследствии были разработаны другие соединения для клинического применения. В дальнейшем Бове занялся алкалоидами, блокирующими действие нервных импульсов.

Алкалоиды отличаются довольно сложной структурой, и их вытяжки из природных веществ имеют непостоянный состав и дают непредсказуемый эффект. Это значительно затрудняет их клиническое использование. Бове и его группа постепенно научились синтезировать вещества с более простой структурой, которые оказывали такое же действие, что и природные алкалоиды, не давая при этом нежелательных побочных эффектов. Например, на основе кураре были созданы препараты, эффективно парализующие мышцы и значительно облегчающие хирургические операции.