История биологии с начала XX века до наших дней

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.