Глава 11 Физиология клетки
Возникновение новых направлений в физиологии животных и человека, коренное изменение многих сложившихся ранее представлений и концепций, связанные с переходом к исследованиям на клеточном, субклеточном и молекулярном уровнях организации жизни, относятся к 40-м годам нашего столетия. Эти события, знаменующие настоящий перелом в развитии физиологических наук, явились следствием современной научно-технической революции. Грандиозные достижения физики и техники, в особенности электроники, автоматики и вычислительной техники, давшие в руки физиологов принципиально новые методы сбора и анализа информации, привели к технической революции в этой области знания. Подтвердилась справедливость высказывания И.П. Павлова, что наука движется толчками в зависимости от успехов, делаемых методикой.
Созданной в наше время новой инструментальной технике физиология обязана фундаментальными открытиями, возможностью проникновения в интимные процессы жизнедеятельности, в их внутреннюю организацию и механизм их регуляции.
Техническое перевооружение физиологии.
На протяжении десятка лет неузнаваемо изменился облик физиологической лаборатории. Старая аппаратура, служившая исследователям более столетия, отжила свой век и перекочевала в музеи истории науки.
Особенно ценными оказались следующие качества новой инструментальной техники: высокая чувствительность и точность измерительной аппаратуры, ее быстродействие, возможность преобразования одних процессов в другие (например, механических и тепловых в электрические), возможность хранения и воспроизведения информации, осуществимость синхронного исследования нескольких физиологических процессов, возможность проведения наблюдений на расстоянии, малые габариты и вес многих приборов. Стал достижим точный количественный и временной анализ микропроцессов (изменений температуры в 0,000001°, механических перемещений, составляющих микроны, электрического напряжения, равного микровольтам), происходящих в микрообъектах (одиночных клетках и их структурах) в микроинтервалы времени (в течение долей миллисекунды). Применение современной инструментальной техники и разработка большого числа новых методов исследования оказали влияние решительно на все отделы физиологии.
Развитие общей физиологии тесно связано с успехами в изучении функций клеток и их структур. Еще в начале XX в. К.А. Тимирязев сетовал на то, что физиология клетки «пока и неосуществима, так как не придумано еще ни весов, ни термометров, ни гальванометров для клеточки»[90]. В настоящее время такие приборы сконструированы, и это явилось одной из важнейших предпосылок создания подлинно экспериментальной физиологии клетки. Другой предпосылкой следует считать успехи морфологического и биохимического исследования клетки, также связанные с применением новой исследовательской техники.
Для понимания происходящих в клетке физиологических процессов чрезвычайно велико значение исследований, выполненных при помощи электронного микроскопа. Благодаря его применению доказано наличие поверхностной мембраны, толщиной 70–80 А, оспаривавшееся некоторыми исследователями, было обнаружено существование сложных систем внутриклеточных мембран и раскрыта их пространственная организация. Выяснилось, что мембраны представляют собой обязательный структурный элемент клетки. Особое внимание физиологов привлекли исследования саркоплазматической сети (ретикулума) мышечных волокон. Это образование, впервые обнаруженное при помощи светового микроскопа, было вновь открыто Ф. Шёстрандом и Б. Андерсоном в середине 50-х годов благодаря применению электронного микроскопа, позволившего изучить детали его строения. Изучена структура миофибрилл — сократительных элементов мышечных волокон. Посредством электронной микроскопии сверхтонких срезов мышц в сочетании с исследованием рассеяния рентгеновых лучей под малыми углами установлено, что миофибриллы состоят из двух систем нитей, которые различаются по толщине и химическому составу. Полагают, что более толстые нити образованы миозином, более тонкие — актином. Нити одной системы входят своими концами в промежутки между нитями другой системы, причем между теми и другими имеются связывающие их поперечные мостики. Э. Хаксли (Нобелевская премия, 1963), обнаруживший такую структуру миофибрилл (1955–1956), высказал предположение, что во время сокращения происходит скольжение одной системы нитей по другой.
Велики и достижения современной биохимии, получившей возможность изучать роль различных внутриклеточных образований в процессах обмена веществ. Этими возможностями биохимия обязана методикам ультрацентрифугирования, ультразвуковой дезинтеграции, электрофореза, хроматографии, пламенной фотометрии, масс-спектрометрии, изотопной индикации, адсорбционной спектроскопии, ауторадиографии, люминесцентного анализа, определения двойного лучепреломления в потоке и многим другим, основанным на новейших достижениях физики и техники.
Исследования функционирования клетки. Мембранная теория.
Биохимические исследования позволили выяснить топографию метаболических механизмов клетки. Удалось приурочить химическую динамику к определенным клеточным структурам, связать морфологию и биохимию. Ценные данные в этом направлении получены гистохимией (см. главу. 10).
Для понимания функционального значения ряда внутриклеточных образований много дал способ разделения содержимого разрушенных клеток (клеточных гомогенатов) на отдельные фракции, содержащие преимущественно определенные клеточные структуры — ядра, митохондрии, микросомы и др. Такие фракции получают посредством центрифугирования гомогенатов при большой скорости вращения. Затем их подвергают биохимическому исследованию для определения ферментативных свойств и химического состава. В результате оказалось, что между различными их частями и даже между макромолекулами клеточных биополимеров имеется строгое разделение функций. Митохондрии, в которых происходит окислительное фосфорилирование, представляют собой энергетические центры клеток; рибосомы, содержащие рибонуклеиновую кислоту, — место сборки клеточных белков, а лизосомы — структуры, в которых сосредоточены гидролитические ферменты (см. также главу 10).
Химические процессы, протекающие внутри клетки, осуществляются по конвейерному принципу. Так, находящиеся внутри митохондрий ферменты, участвующие в окислительных процессах, пространственно разграничены, будучи фиксированы на различных мембранах, благодаря этому те или иные вещества подвергаются ряду последовательных превращений. Такие последовательные превращения продуктов обмена происходят, например, в ходе цикла трикарбоновых кислот (цикла Кребса), обеспечивающего энергией клетку. Так же последовательно, звено за звеном происходит сборка в клетке белков из аминокислот на рибонуклеиновой матрице.
Успешное развитие биохимических исследований клетки привело к возникновению новой области науки — биохимической цитологии (подробнее см. в главе 10).
Крупными достижениями ознаменовалось за последние 25 лет изучение клетки экспериментально-физиологическими и биофизическими методами. Стало возможным не только увидеть внутреннее строение клетки, но и как бы «потрогать» ее. В отличие от морфолога, обычно рассматривающего мертвые, фиксированные объекты, или биохимика, имеющего дело, как правило, с разрушенными клетками, физиолог исследует живую клетку.
Для цитофизиологических исследований требуется выделение отдельных клеток или их частей (например, нервных волокон) и их помещение в такие условия, в которых они по возможности более длительное время сохраняют свою жизнедеятельность. Начиная с 1929 г. были разработаны способы выделения одиночного мышечного или нервного волокна или рецептора с подходящим к нему нервным волокном и выбраны удобные для этой цели объекты. Для изучения физиологии нервного волокна необычайно полезными объектами оказались гигантские аксоны морских моллюсков (кальмара, каракатицы), диаметр которых достигает 0,5–1 мм. Начало использованию этих аксонов в физиологических экспериментах было положено в конце 30-х годов К.С. Колом, Г.Дж. Картисом и А. Ходжкиным и успешно продолжается и сейчас. В экспериментах на аксонах кальмара, выполненных в 60-х годах, выявилась возможность использовать в качестве объекта исследования наряду с целым нервным волокном и его поверхностную мембрану. Последняя после выдавливания из нее цитоплазмы и заполнения ее солевым раствором — способна длительно функционировать, генерируя и проводя нервные импульсы. Результаты, полученные в опытах на аксонах кальмара, служат хорошей иллюстрацией того, что в физиологии выбор объекта и метода часто определяет успех в решении стоящей перед исследователем задачи.
Повышение чувствительности современной аппаратуры позволило решить задачу регистрации и количественного учета многих процессов, протекающих в живой клетке. Одновременно с этим в настоящее время физиология располагает рядом способов воздействия на ход внутриклеточных физиологических процессов.
Особое значение в изучении физиологии клетки и решении многих проблем общей физиологии приобрела микроэлектродная техника, предложенная в 1946–1949 гг. Р. Джерардом с сотрудниками и получившая широкое распространение в физиологических лабораториях всего мира. Посредством стеклянных микроэлектродов с диаметром кончика менее 0,5 мк. регистрируют с применением специальных электронных усилителей и малоинерционных электроизмерительных приборов трансмембранные потенциалы одиночных клеток. Таким способом определены особенности трансмембранных электрических потенциалов в разных возбудимых образованиях и в разных условиях, в том числе при изменении концентрации ионов и при действии различных веществ; изучена ионная проводимость и измерены электрические свойства (емкость, сопротивление) поверхностной мембраны клеток. Посредством микроэлектродного отведения удалось также зарегистрировать разность потенциалов между ядром и протоплазмой клетки.
Внутриклеточные микроэлектроды применяются и для воздействия на клетку: для электрического раздражения одиночный клетки и для введения в нее посредством электрофореза различных веществ, в частности, для изменения содержания отдельных ионов.
Физиологические исследования, проведенные при помощи микроэлектродной техники и многих биохимических и биофизических методик, выявили значение поверхностной мембраны в жизни клетки. Оказалось, что она является возбудимым образованием — генератором электрических потенциалов и что свойства поверхностной мембраны определяют транспорт различных веществ в клетку и из нее во внешнюю среду.
Создание А. Ходжкиным, Э. Хаксли и Б. Катцем в конце 40-х и в начале 50-х годов современной мембранной теории[91] возникновения биоэлектрических потенциалов явилось выдающимся достижением общей физиологии. Согласно одному из исходных представлений, на котором основывается эта теория, концентрация ионов К+ внутри клетки во много раз выше, а концентрация ионов Na+ ниже, чем в межклеточном пространстве. В состоянии покоя поверхностная мембрана клетки свободно проницаема для растворенных в цитоплазме ионов K+ и малопроницаема для находящихся во внешней среде ионов Na+; при возбуждении мембрана становится свободно проницаемой и для ионов Na+.
В покое в результате направленного наружу тока ионов K+ держится постоянная разность потенциалов по обе стороны мембраны (мембранный потенциал покоя), и последняя оказывается поляризованной. При возбуждении происходит лавинообразное нарастание проводимости натрия, превышающее проводимость калия, и ионы Na+ проникают в клетку из внешней среды. Мембрана при этом деполяризуется и даже приобретает заряд противоположного знака. Такое изменение разности потенциалов по обе стороны клеточной мембраны представляет собой мембранный потенциал действия. Его особенностью является то, что он распространяется вдоль клеточной мембраны и может вызывать возбуждение смежных клеток.
Возникновению распространяющегося потенциала действия всегда предшествует местный процесс — нераспространяющаяся локальная деполяризация. Последняя должна достигнуть некоторой величины — критического уровня деполяризации, когда происходит быстро нарастающая так называемая регенеративная деполяризация. Когда же потенциал действия достигает максимальной величины, проницаемость мембраны по отношению к ионам Na+ падает и происходит увеличение проводимости калия. Вследствие этого мембрана реполяризуется и приобретает исходный заряд.
Решающие доказательства мембранной теории были получены в экспериментах, в которых исследовалось влияние на потенциалы покоя и действия изменений концентрации ионов K+ и Na+ во внешней среде, в опытах с определением движения радиоактивных изотопов натрия и калия сквозь мембрану нервных волокон и экспериментах на изолированных мембранах гигантских аксонов, нейроплазма которых была заменена раствором хлористого калия. Все эти эксперименты убедительно доказали, что трансмембранные потенциалы обусловлены ионной проницаемостью поверхностной мембраны. Токи ионов калия и натрия зависят от разности их концентраций в цитоплазме и внешней среде. Поэтому выход К+ из клетки и поступление в нее Na+ называют пассивным транспортом ионов. Направление ионных потоков через мембрану в покое и при возбуждении Ходжкин и его сотрудники предложили определять, фиксируя напряжение на мембране и регистрируя проходящие через нее электрические токи.
От процессов пассивного ионного транспорта отличают активный транспорт ионов. Он осуществляется за счет энергии обмена веществ клетки и направлен против концентрационных градиентов ионов; из клетки выкачиваются ионы Na+ («натриевый насос») и в нее поступают ионы K+.На наличие подобных процессов в сердечной мышце указывал еще в 1902 г. Е. Овертон на том основании, что содержание калия и натрия в сердце старика и юноши одинаково. Многочисленные экспериментальные доказательства наличия процессов активного ионного транспорта были получены в 50-х годах. В это же время выяснилось, что движение ионов против концентрационных градиентов происходит за счет энергии, освобождаемой при расщеплении АТФ под влиянием локализованной на мембране так называемой Na, К-аденозинтрифосфатазы. Последняя активируется ионами калия на внешней поверхности мембраны и ионами натрия на внутренней ее поверхности, т. е. при тех сдвигах концентрации ионов, которые возникают в результате пассивного ионного транспорта.
Мембранная теория Ходжкина-Хаксли получила свое математическое выражение в виде модифицированных уравнений В. Нернста и системы дифференциальных уравнений, позволяющих предсказать, какие изменения претерпят биоэлектрические потенциалы при воздействиях на мембрану и при сдвиге ионных концентраций внутри и снаружи клетки.
Мембранная теория происхождения биоэлектрических потенциалов, разъяснив значение ионного транспорта в процессе возбуждения, поставила, как это всегда бывает при каждом крупном открытии в науке, перед исследователями большое число новых вопросов. Какова конструкция клеточных мембран и как она изменяется при раздражении. Каков механизм ионной проводимости в покое и при возбуждении? Имеются ли в мембране поры, избирательно пропускающие определенные ионы? Исследование этих вопросов, которыми настойчиво занимаются во многих лабораториях мира, является очередной и важной задачей физиологии и смежных с ней дисциплин. Избирательная проницаемость биологических мембран составляет основу представлений о функциях гисто-гематических и гемато-энцефалического барьеров. Возникла новая область физиологии и биологической физико-химии — мембранология, занимающаяся изучением проницаемости различных мембран.
Идеи, лежащие в основе мембранной теории биоэлектрических потенциалов, оказали влияние на разработку различных проблем физиологии. Так, сложилось новое понимание природы процесса, обусловливающего автоматическую активность сердца. В 1952 г. С. Вейдман при помощи внутриклеточных микроэлектродов обнаружил, что в волокнах сердца, обладающих способностью к автоматии (их называют водителями ритма), в диастоле происходит медленная спонтанная деполяризация. Последняя, достигнув определенного уровня, вызывает распространяющийся потенциал действия, который служит импульсом, возбуждающим сокращение сердца. Анализ этого явления с позиций мембранной теории привел к экспериментально обоснованному выводу, что автоматия связана с особенностями ионной проницаемости мембраны волокон водителей ритма сердца.
Исследование проведения нервных импульсов.
Микроэлектродная техника позволила выяснить механизм проведения возбуждения в нервах и мышцах. Была доказана справедливость гипотезы Л. Германа (1899), согласно которой потенциал действия, возникший в одной клетке или в одном участке нервного волокна, действует как раздражитель на другие клетки или нервные волокна. При этом оказалось, что амплитуда потенциала действия в 4–7 раз превышает пороговое напряжение, необходимое для вызова возбуждения. Это обеспечивает надежность проведения.
В 40-50-х годах И. Тасаки и другие показали, что возбуждение в миелиновых нервных волокнах распространяется не непрерывно вдоль всего волокна, а скачкообразно от одного перехвата Ранвье к другому. Согласно современным представлениям, перехваты Ранвье выполняют функции ретрансляционных станций, генерирующих импульсы такого напряжения, которое достаточно для возбуждения следующего перехвата. Миелиновая же оболочка, покрывающая межперехватные участки, служит изолятором. Такой тип проведения обеспечивает большую скорость по сравнению со скоростью непрерывного проведения, имеющего место в безмиелиновых нервных волокнах, отсутствие постепенного затухания импульса и большую энергетическую экономичность проведения.
Изучение двигательных функций.
Разработка этой фундаментальной проблемы физиологии шла в двух направлениях: исследовались связи между возбуждением и сокращением мышечного волокна и механизм сократительного процесса. Для обоих направлений большое значение имели данные электронной микроскопии, выявившие структуру внутриклеточных образований, осуществляющих сопряжение возбуждения и сокращения и сам сократительный акт.
Современный этап в изучении двигательной функции клетки берет свое начало с основополагающих открытий В.А. Энгельгардта и М.Н. Любимовой и А. Сцент-Дьёрдьи. Энгельгардт и Любимова в 1939 г. установили, что сократительный белок мышцы — миозин — обладает аденозинтрифосфатазной активностью; двумя годами позже они показали, что при взаимодействии искусственно приготовленных миозиновых нитей с АТФ изменяются их механические свойства. А. Сцент-Дьёрдьи (Нобелевская премия, 1937) в 1942 г. обнаружил в мышце белок актин и показал, что актомиозиновые нити укорачиваются под влиянием АТФ. В свете этих открытий стало ясно, что освобождающаяся при расщеплении АТФ химическая энергия при посредстве мышечных белков превращается в механическую. В дальнейшем было обнаружено, что АТФ имеет такое же значение и в других клетках и их структурах, обладающих подвижностью, — в жгутиках подвижных одноклеточных организмов, в хвостах сперматозоидов, в ресничках мерцательного эпителия и тому подобных образованиях. Во всех этих структурах сократительные белки обладают энзиматической активностью — способностью расщеплять АТФ (см. главу 6). В итоге указанных открытий выявилось единство принципа функционирования, химической динамики и энергетики самых различных клеток, обладающих подвижностью. Вместе с тем они показали, что осуществление некоторых основных функций живого связано со свойствами молекул биополимеров.
На основе электронно-микроскопических и рентгеновских исследований Э. Хаксли (1957) создал теорию мышечного сокращения, согласно которой при сокращении происходит скольжение и сближение актиновых и миозиновых нитей, образующих миофибриллу. Механизм этого скольжения недостаточно ясен. По-видимому, оно происходит вследствие конформационных изменений миозиновых нитей, которые тянут или толкают нити актина.
Ход событий при мышечном сокращении представляют в настоящее время следующим образом. Потенциал действия, возникающий в постсинаптической мембране концевой пластинки нерва под влиянием проходящего по нему импульса, деполяризует всю поверхностную мембрану мышечного волокна. Волна деполяризации распространяется и на мембраны саркоплазматической сети, представляющей собой аппарат сопряжения возбуждения и сокращения. Трубочки ретикулума, обволакивающие фибриллы внутри мышечного волокна, при деполяризации становятся проницаемыми для аккумулированных в них ионов кальция. Последние, поступая к миофибриллам, активируют АТФазные центры миозина. Это приводит к расщеплению АТФ, в результате которого освобождается значительное количество энергии, используемой на развитие напряжения или сокращение мышцы. Ионы кальция выполняют таким образом роль пускового механизма (триггера) энзиматических реакций и механо-химических процессов.
По достижении максимума сокращения начинается обратный переход, ионов кальция в концевые трубочки саркоплазматического ретикулума. Этот процесс, требующий затраты энергии, происходит при участии активируемой ионами магния АТФазы. Механизм обратного поступления ионов кальция (активного транспорта) получил название кальциевого насоса. Когда в результате его работы концентрация ионов кальция падает ниже определенного уровня, расщепление АТФ миозином прекращается и состояние сокращения сменяется расслаблением. Изучение мышечного сокращения и активного транспорта ионов показало, что трансформация химической энергии в механическую или осмотическую совершается при обязательном участии ферментов, локализованных в миофибриллах или поверхностных и внутриклеточных мембранах.
Теория мышечного сокращения и теория сопряжения возбуждения иг сокращения развиты за последние 10–15 лет. Отличающиеся солидном обоснованностью и подлинным изяществом мысли, они явились результатом комплексной работы специалистов разного профиля, владеющих методами разных областей знания. Они показывают, что крупные открытия и новые концепции в наше время чаще всего возникают на пересечении путей разных наук.
Изучение возбуждения и торможения.
На протяжении последних 25 лет много нового внесено в проблему передачи возбуждения в синапсах на периферии и в центральной нервной системе. Электронно-микроскопические исследования выявили структуру синапсов и показали наличие двух мембран — пре- и постсинаптической, — а также щелей между ними, толщиной в 200–500 А. В нервных окончаниях обнаружено множество мельчайших пузырьков, в которых, как считают, содержится медиатор в неактивной форме. При поступлении к нервному окончанию нервного импульса пресинаптическая мембрана. Деполяризуется и медиатор диффундирует через нее в синаптическую щель. Здесь он оказывает деполяризующее действие на постсинаптическую мембрану — возникает постсинаптический потенциал, возбуждающий нервную, мышечную или железистую клетку, на которой расположен данный синапс. Наиболее распространенным медиатором в синапсах периферической и центральной нервной системы оказался ацетилхолин. Последний при его выделении в синаптическую щель взаимодействует со специфическим белком постсинаптической мембраны — холинорецептором, структура которого определена в самое последнее время. Медиатором в симпатической нервной системе, как показал У.С. Эйлер[92] (1946), оказался норадреналин. Имеются данные о наличии в центральной нервной системе и других медиаторов; к ним предположительно относят гамма-аминомасляную кислоту и глицин, образующиеся в тормозных синапсах, а также серотонин и некоторые другие вещества.
Значительный прогресс достигнут за последние 25 лет также в изучении природы торможения в центральной нервной системе.
Одним из наиболее дискуссионных был вопрос о том, является ли торможение самостоятельным процессом, отличным от возбуждения, или же, как это считали Н.Е. Введенский и А.А. Ухтомский (Ленинская премия, 1931), возбуждение и торможение — два проявления единого по своей природе процесса. Оказалось, что в центральной нервной системе имеются специальные тормозные пути и тормозные нейроны, открытые впервые в 1941 г. Б. Реншоу в спинном мозгу. В дальнейшем тормозные нейроны были обнаружены и в других отделах центральной нервной системы. Особенно значительный вклад в разработку этой проблемы был внесен в 50-60-х годах Дж. Экклсом (Нобелевская премия, 1963).
В настоящее время выяснено, что отростки тормозных нейронов образуют на теле других нервных клеток тормозные синапсы, в которых синтезируются тормозные медиаторы. Под влиянием приходящих импульсов в тормозном синапсе выделяется тормозной медиатор, вызывающий гиперполяризацию постсинаптической мембраны (тормозной постсинаптический потенциал). Это приводит к ослаблению возбуждающего постсинаптического потенциала, что препятствует возникновению возбуждения или затормаживает его, если оно уже развилось. Гиперполяризация мембраны нейронов при тормозящих его активность раздражениях обнаружена посредством микроэлектродного отведения мембранных потенциалов от одиночных клеток центральной нервной системы.
Таким образом, благодаря исследованиям на новом методическом уровне выяснен принципиально важный вопрос о природе центрального торможения, служивший предметом дискуссий на протяжении нескольких десятилетий.
Физиология памяти.
Проблема физиологических и физико-химических механизмов памяти оформилась в рамках нейро- и общей физиологии в самое последнее время. Ее экспериментальное изучение в ряде лабораторий мира начато лишь в последние 12–15 лет. В настоящее время обрисованы контуры разработки этой увлекательной и актуальной проблемы. Получены данные, которые ориентируют исследовательскую мысль в новых перспективных направлениях. Можно с уверенностью сказать, что физиология находится здесь на пороге замечательных открытий.
Установлено, что имеется два качественно различных вида памяти: кратковременная и долговременная. Первая — память на недавние события — очень неустойчива. В многочисленных экспериментах доказано, что чрезвычайные раздражители — травма мозга, разряд электрического тока, наркоз, сильное и быстрое охлаждение — «стирают» память на обучение или на события, непосредственно предшествующие действию этого раздражителя. Кратковременная память, или начальная стадия запоминания, согласно современным представлениям, имеет электрическую природу. По-видимому, она обусловлена циркуляцией импульсов по замкнутым нейронным кругам.
Долговременная, сохраняющаяся многие годы, а иногда и всю жизнь, память отличается устойчивостью. Уже один этот факт натолкнул исследователей на мысль, что следы событий и обучения фиксируются в форме морфологических или химических изменений в нервных клетках или окружающей их глии. Экспериментальные данные последних лет дали веские доводы в пользу гипотезы молекулярной природы памяти. Дж. Мак Коннел с соавторами в 1959 г. сообщил о наблюдениях над плоскими червями (планариями), у которых вырабатывали условные оборонительные рефлексы на свет. После рассечения такого червя на две половины и регенерации каждой половины у обоих регенерировавших червей условные рефлексы образуются значительно быстрее, чем у интактных. Через три года этот же исследователь сообщил, что у планарии каннибала скорее вырабатываются условные оборонительные рефлексы в том случае, когда она поедает других планарий, у которых были выработаны оборонительные рефлексы, чем тогда, когда она питается «необученными» особями.
Имеются веские основания полагать, что явления долговременной памяти вообще и, в частности, описанные наблюдения над планариями связаны с синтезом рибонуклеиновой кислоты и белков. Так, отмечалось, что введение планариям фермента рибонуклеазы приводит к исчезновению выработанных условных рефлексов. Показано также, что инъекция в мозг рибонуклеазы вызывает у млекопитающих нарушения выработанных ранее условных рефлексов и препятствует образованию новых. Аналогично действуют на условные рефлексы у золотой рыбки и крысы антибиотик пуромицин и некоторые другие вещества, блокирующие синтез РНК и останавливающие рост полипептидной цепи на рибосомах. Эти данные приводят к выводу об участии РНК и синтезируемого белка в молекулярной организации памяти индивидуума, в консолидации и длительном закреплении следов обучения. Прямое экспериментальное подтверждение такого вывода дал Е.М. Крепс (1957), который обнаружил, что при образовании условного рефлекса на звук в слуховой области коры у собак ускоряется обновление фосфора в молекуле РНК. Начиная с 1959 г. Г. Хиден опубликовал большую серию исследований, в которых он доказывал, что механизм долговременной памяти заключается в изменении последовательности нуклеотидов в молекуле РНК в клетках мозга, а это приводит к изменению синтеза в них белков и ферментов. Высказывается также мнение о влиянии на молекулу ДНК и активацию синтеза белков в нервных клетках повторного поступления импульсов к нейронам. Эти идеи, бесспорно, навеяны успехами в изучении нуклеиновых кислот и выяснении их значения в хранении генетической информации.
Возможно, однако, что в механизме долговременной памяти важную роль играет не изменение структуры, а активация синтеза нуклеиновых кислот и белков, приводящая к морфологическим изменениям. Последние сводятся к увеличению числа межнейронных связей и образованию новых синапсов, передающих импульсы от одного нейрона к другому. Такая гипотеза в какой-то мере объединяет современные представления о роли нуклеиновых кислот в синтезе белков и образовании клеточных структур с идеей нейроморфолога С. Рамон-и-Кахала[93] (начало XX в.), предполагавшего, что память связана с прорастанием отростков нервных клеток в определенном направлении.
Совершенно неясной стороной проблемы остается связь между кратковременной и долговременной памятью. По-видимому, процессы, разыгрывающиеся на поверхностной мембране нервных клеток в первую стадию запоминания и обучения, через посредство эндоплазматического ретикулума, тесно связанного с рибосомальным аппаратом, влияют на структуру и синтез РНК и белка. Изучение интимных механизмов этих явлений, раскрытие природы памяти и способов воздействия на нее — грандиозные и актуальные задачи физиологии ближайшего будущего.
* * *
Успешная разработка в последние десятилетия как перечисленных, так и ряда других проблем общей физиологии на клеточном и субклеточном уровнях приблизила к пониманию основ функционирования живого. Постепенно все более рассеивается таинственная мгла, скрывавшая от глаз исследователя сущность жизнедеятельности клеток, все яснее вырисовывается картина молекулярных физиологических процессов. Сбывается предвидение Павлова, который в 1897 г. говорил, что клеточная физиология должна прийти на смену органной физиологии и что ее можно считать предвестницей последней ступени в науке о жизни — физиологии живой молекулы.
Физиология и кибернетика.
Важное значение для развития физиологии приобрели за последние два десятилетия кибернетика, теория информации и теория автоматического регулирования. Они позволили по-новому оценить некоторые давно известные факты и идеи.
Так, раскрылось универсальное значение принципа обратной связи в регуляции и саморегуляции функций. В настоящее время показано, что регуляция самых важных физиологических процессов в целостном организме и его системах контролируется состоянием регулируемого аппарата — обратными связями между ним и нервными и гуморальными регуляторами. Большая роль в регуляции принадлежит интрорецепторам, хорошо изученным многими морфологами и физиологами (В.Н. Черниговской и др.). Будучи широко рассеянными во всех органах и тканях, интрарецепторы сигнализируют центральной нервной системе о состоянии иннервируемого ими субстрата.
Обратные связи обнаруживаются не только при исследовании нервной регуляции и не только в целостном организме, но и на любом уровне организации живого — клеточном, субклеточном и даже молекулярном уровне — всюду, где имеются саморегуляторные процессы. Примером обратной связи на молекулярном уровне может служить аллостерическое ретроингибирование энзиматической реакции продуктами, образующимися в ходе этой реакции. Распространяя на работу организма идеи кибернетики и теории автоматического регулирования, исследователи пришли к заключению, что процессы саморегуляции в пределах любого уровня биологической организации осуществляются благодаря наличию замкнутых контуров с прямыми и обратными связями, определяющими начало, ход протекания и окончание разных актов деятельности или процессов метаболизма.
На основе идей кибернетики как учения об общих принципах управления и связи в сложных динамических системах подведены теоретические основы под концепцию, согласно которой организм рассматривается в качестве самоорганизующейся и саморегулирующейся системы высокой степени сложности. При этом любая функция организма и его структур трактуется как сложная система определенным образом организованных в пространстве и времени процессов.
О том, что организм является крайне сложной системой, состоящей из почти бесконечного ряда частей, связанных друг с другом и в виде единого комплекса с внешней средой, писал Павлов. Понятию системы близка идея А.А. Ухтомского (1932–1935) о нервных центрах как «рабочих ансамблях» и «физиологических констелляциях», складывающихся в зависимости от характера раздражений, действующих на центральную нервную систему. Представление о «функциональных системах», лежащих в основе организации физиологических процессов целостного организма, развивал в 30-х годах также П.К. Анохин (Ленинская премия, 1972). В конце 40-х годов Л. Берталанфи выступил с обоснованием теории биологических систем. По его определению, система — это комплекс элементов, находящихся во взаимодействии. Биологические системы относятся к открытым; они характеризуются тем, что остаются относительно постоянными, несмотря на непрерывно совершающиеся в них изменения веществ и энергии.
В настоящее время стало совершенно ясным, что определенная пространственно-временн?я организация физиологических процессов свойственна не только целостному организму, но и всем его органам, тканям, отдельным клеткам и даже субклеточным структурам (ядрам, митохондриям, мембранам и др.). Изучая их функции, физиолог всегда имеет дело со сложными динамическими системами, которые характеризуются непрерывным взаимодействием образующих данную систему структурных элементов и происходящих в них процессов и присущими данному уровню биологической организации механизмами управления и связи. Последние отличаются многоконтурностью — многократным дублированием и иерархическим соподчинением, сочетаемым с некоторой автономностью. Каждая биологическая система реагирует как единое целое на любые воздействия внешней среды, причем характер ее реакций в большей мере определяется ее состоянием в данный момент.
Для системного подхода характерно синтетическое рассмотрение изучаемых явлений, включающее все углубляющийся анализ жизненных явлений. Для понимания внутренних связей, имеющихся в любой системе физиологических процессов, необходимо одновременное исследование и сопоставление разных одновременно или последовательно происходящих процессов. Такое исследование вполне достижимо при использовании современных методик регистрации и изучения физиологических процессов, но требуемый от него эффект может быть получен лишь при дополнении этих методов новыми способами анализа и обработки информации, получаемой в ходе наблюдения и эксперимента. К последним в первую очередь относятся математические методы и современная вычислительная техника, определяющие характерную для нашего времени тенденцию к математизации физиологии.
В последние годы все шире используют непосредственно в эксперименте специализированные вычислительные (цифровые, аналоговые и гибридные) устройства, производящие математическую обработку результатов наблюдений. Для этого применяется интегрирование, дифференцирование, корреляционный и спектральный анализ, определение статистического распределения интервалов и амплитуд и многие другие математические методы вплоть до многомерного статистического анализа.
Другое применение математики в физиологии состоит в математическом и логико-математическом моделировании физиологических явлений и процессов.
Идея применения математического моделирования в физиологии для описания физиологических процессов не нова. Математическому моделированию кровообращения была посвящена одна из работ Л. Эйлера, занимавшего в 1727–1731 гг. кафедру физиологии в Петербургской академии наук. Математическую зависимость между некоторыми величинами, определяющими движение крови в сосудах, вывел в 40-х годах XX в. Ж. Пуазейль. Математические модели процессов, происходящих в возбудимых тканях, разработали в первой половине нашего столетия В. Нернст, А.В. Хилл, П.П. Лазарев, Н. Рашевски и многие другие. Однако применение математических методов в физиологии XIX — начала XX в. было нечастым явлением и его значение недооценивалось.
В наше время разработаны математические модели некоторых функций клеток, клеточных популяций, органов и их систем. Начиная с работы У. Мак-Каллока и Р. Питтса (1943) многое сделано в создании математических моделей нейронов и нейронных сетей. Рядом исследователей разработаны модели насосной функции сердца, движения крови по сосудистой системе, дыхания, терморегуляции и т. п.
Математические методы теории автоматического регулирования подсказали новые пути анализа процессов перехода от одного состояния и одного уровня деятельности к другому. Важность изучения этих процессов диктуется тем, что, по существу, вся жизнь организма есть непрерывный переходный процесс.
Успехи физико-химического анализа жизненных явлений уже в прошлом столетии привели к признанию того, что основной функцией живого является обмен веществ и энергии. Кибернетика и теория информации внесли принципиально новое в понимание основ физиологических процессов, показав, что к обмену веществ и энергии как характеристике живой материи необходимо добавить обмен информации. Последний определяет согласованность функций внутри организма и его связь с внешней средой. Информацией для живого организма и его структур являются такие изменения внешней или внутренней среды, к восприятию которых организм специально приспособился в ходе эволюции и которые приобрели сигнальное значение. Это особая категория явлений, не сводимая к массе или энергии.
Исследование процессов обмена веществ и превращение энергии в живом организме составляют предмет биохимии и биофизики. Исследование же процессов обмена информации, процессов управления и связи в организмах, в их органах, тканях и клетках становится в наше время задачей новой научной дисциплины — физиологической кибернетики. Физиологическая кибернетика объединяет традиционные физиологические методы с кибернетическим анализом явлений, руководствующимся принципами системности и использующим математическое моделирование.
Ход развития физиологии, таким образом, приводит к тому, что, соответственно трем основным проявлениям физиологических функций об мену веществ, обмену энергии и обмену информации, — она превращается в комплексную область знания. Физиология призвана синтезировать и обобщить данные трех отпочковавшихся от нее специальных наук — биохимии, биофизики и физиологической кибернетики. Таким рисуется будущее физиологии.