close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

1.Органичное сочетание историко научного (ретроспективного) и основного предметного знания при изучении физики в медицинских университетах

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Органичное сочетание историко
научного
(ретроспективного)
и основного
Физическое
образование
в вузах. Т. 20, №
3, 2014 предметного
знания при изучении физики в медицинских университетах
151
УДК 60
Органичное сочетание историко научного
(ретроспективного) и основного предметного знания
при изучении физики в медицинских университетах
Андрей Вячеславович Коржуев1, Елена Викторовна Шевченко2
1
Первый Московский государственный медицинский университет
им. И.М. Сеченова; e mail: akorjuev@mail.ru
2 Иркутский государственный медицинский университет; e mail: kalasha50@mail.ru
В статье обсуждается возможность включения историко научного материала в
содержание курса физики для медицинских университетов – основной акцент
сделан на теории возникновения и свойствах нервного импульса (потенциала
действия), сконструированной Ходжкиным и Хаксли в середине ХХ века.
Ключевые слова: биологическая мембрана, трансмембранная разность потенциалов,
калиевые и натриевые ионные токи через поверхность биологической мембраны,
ионные каналы, модель Ходжкина Хаксли.
В статье А.В. Коржуева и Е.Л. Рязановой, опубликованной в № 4 за 2013 г.,
обсуждается проблема исторических реконструкций физического знания и процесса
его «добывания», спроецированная на разработку Бернштейном и Нернстом теории
потенциала покоя (разности потенциалов между внутренней и наружной
поверхностями биомембраны в состоянии покоя) – подробно обсуждаются
возможности соответствующего историко научного наполнения содержания курса
физики в медицинских университетах. Логическим продолжением данной статьи
является методическая разработка историко научного наполнения темы, связанной с
изучением динамики трансмембранной разности потенциалов в процессе возбуждения
клетки, — проще говоря, того, что в биофизике и физиологии именуется потенциалом
действия. Приведём в связи с этим авторский эскиз историко научного сопровождения
изучения потенциала действия в курсе физики.
Во первых, мы считаем необходимым отметить для студентов, что выдвинув свою
гипотезу об ионной природе потенциала покоя примерно в 1912 г., Бернштейн не успел
развить её, умерев в 1919 г. Однако, очень важным было оставленное им в «наследство»
будущим мембранологам предсказание об изменении проницаемости мембраны при
возбуждении. Мембранологи после первой мировой войны продолжили изучение этого
вопроса, хотя технические трудности были весьма существенны: необходимо было
«поймать» изменение сопротивления мембраны, длящееся около 1 2 миллисекунд –
столько длится процесс «электрического ответа» мембраны на внешнее электрическое
возбуждение, именно он и называется по исторической традиции потенциалом действия
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
152
А.В. Коржуев, Е.В. Шевченко
(как антипод потенциала покоя).
Лишь в 1938 г. успех сопутствовал Коулу и Кёртису, которым посчастливилось
догадаться найти подходящий модельный объект для своих экспериментов – таковым
стала растительная клетка гигантский аксон кальмара, по причине малой скорости
распространения электрических импульсов – около нескольких сантиметров в секунду,
в то время как у «лабораторной» лягушки эта величина составляла десятки метров в
секунду. Величины несравнимые!! И конечно, необходима была клетка больших
размеров – таковой стала клетка водоросли нителлы (размером около полумиллиметра),
а впоследствии гигантский аксон кальмара.
Далее отмечаем студентам, что в 1939 г. две группы исследователей – Коул и
Кёртис (Морская станция Океанологического института в Вудс Холе в США) и
Ходжкин и Хаксли (морская станция в Плимуте – Англия) взяв гигантский аксон
кальмара (одиночное нервное волокно), ввели внутрь микроэлектрод, расположив
второй микроэлектрод у внешней поверхности в межклеточной жидкости, измерили
разность потенциалов между внутренней и наружной поверхностями одной (!) клетки.
Оказалось, что она меняется от примерно 80 мВ (со знаком «минус») в состоянии покоя
до 40 мВ (со знаком «плюс»).
Была выдвинута теоретическая гипотеза, суть которой заключалась в том, что
мембрана при возбуждении меняет свою избирательную проницаемость: в состоянии
покоя преобладала проницаемость для ионов калия, на первой фазе потенциала
действия резко увеличивалась проницаемость для ионов натрия. По причине
преобладания концентрации натрия снаружи клетки по сравнению с внутренней
примерно в 3 – 4 раза поток ионов натрия направляется внутрь клетки и потому знак
разности потенциалов меняется с отрицательного в состоянии покоя на положительный
в состоянии возбуждения. Затем картина меняется: поток натрия ослабляется и
начинает преобладать поток ионов калия наружу (поскольку концентрация калия
внутри во много раз – примерно в 30 – больше наружной концентрации), а разность
потенциалов вновь меняет знак с положительного на отрицательный. Таким образом,
электрический ответ мембраны на внешнее возбуждение представляет собой импульс
(по форме напоминающий крутую горку, основание которой находится на графике в
осях «разность потенциалов — время» на уровне потенциала покоя – 60 80 мВ со знаком
«минус», а вершина – на уровне потенциала реверсии – плюс 40 50 мВ).
Для студентов будет интересным, что первая мировая война помешала
Бернштейну изучать потенциал покоя и электрическую проницаемость мембраны, а
вторая прервала исследования потенциала действия Ходжкиным и Хаксли, и первая
экспериментальная попытка проверки натриевой гипотезы потенциала действия была
предпринята только в 1949 г. (Ходжкин, Хаксли, Катц). В частности, было доказано,
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Органичное сочетание историко научного (ретроспективного) и основного предметного
знания при изучении физики в медицинских университетах
153
что амплитуда потенциала действия (сумма модуля потенциала покоя и потенциала
реверсии, показывающего насколько максимум мембранной разности потенциалов в
момент максимума превышает нулевое значение: 80 мВ + 40мВ = 120 мВ) меняется
при изменении концентраций натрия снаружи и внутри клетки по формуле Нернста.
Далее излагаем студентам суть использованного Ходжкиным и Хаксли метода
фиксации потенциала (имея солидный опыт работы во время войны с радарными
установками, Ходжкин сконструировал прибор, который с помощью электронных схем
улавливал малейшие изменения мембранных потенциалов, и быстро «подавал» на
мембрану ток, компенсирующий эти изменения) – зафиксировав разность потенциалов,
можно было понять, как электрическая проводимость мембраны меняется со временем
«сама по себе» — независимо от потенциала. Для разделения калиевого и натриевого
токов через мембрану в процессе возбуждения использовали блокаторы ионов: а) вводя
в мембрану тетродотоксин – блокатор натрия, наблюдали экспериментально как зависел
ток калия от времени; б) вводя блокатор калия — тетраэтиламмоний, фиксировали
экспериментально зависимость тока натрия от времени. Связь тока и проводимости
выражается законом Ома: I = g ( ф – ф*), где множитель перед скобкой есть
электропроводимость, ф – значение фиксированного потенциала, установленного
экспериментально и поддерживаемого искусственно на постоянном уровне, ф*—
равновесное значение мембранного потенциала для конкретного типа ионов,
рассчитываемое по формуле Нернста, постоянное в условиях обсуждаемых опытов.
Из этого уравнения видно, что по экспериментально обнаруженной зависимости силы
тока от времени I (t) можно выявить зависимость от времени электропроводимости
g(t) – как для ионов калия, так и для ионов натрия. Это давало возможность установить
и временные зависимости проницаемости мембраны от времени p(t). Напомним, что
проницаемость «р» есть коэффициент в законе Фика, связывающем плотность потока
вещества и градиент концентрации ионов. Таким образом было выяснено, что
проницаемость мембраны для ионов натрия после электрического возбуждения быстро
(примерно в течение 1 миллисекунды) увеличивается, достигает максимума, а затем
быстро падает; проницаемость для калия медленнее (чем проницаемость натрия)
возрастает и в условиях фиксации потенциала достигает некоторого постоянного
значения и сохраняется таковой до снятия фиксированного потенциала.
Естественно, режим фиксации потенциала на мембране не даёт полной
необходимой исследователю информации – реально в процессе возбуждения разность
потенциалов меняется и полученные зависимости для проницаемости мембраны от
времени будут иметь другой характер, нежели тот, который получен в режиме
фиксированного потенциала. Этим обстоятельством была обусловлена постановка
другой серии опытов, в процессе которых измерялась экспериментально зависимость
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
154
А.В. Коржуев, Е.В. Шевченко
от времени проводимости ионов при различных значениях мембранного потенциала –
при описании реального процесса возбуждения приходилось мысленно «перескакивать»
с одного фиксированного потенциала на другой. В результате нескольких серий
разноплановых опытов было установлено, что проницаемость является функцией трёх
переменных: разности потенциалов на мембране, времени и начальных условий
(например, величины разности потенциалов на мембране в момент начала
электрического возбуждения).
Полную теоретическую картину возникновения «электрического ответа»
мембраны на внешнее электрическое возбуждение описывала система уравнений
Ходжкина Хаксли, среди которых присутствовало уравнение для полного тока через
мембрану при возбуждении (электрическая модель возбудимой мембраны), равного
сумме токов ионов натрия (I*), калия (I^), остальных ионов (I**) и тока, обусловленного
ёмкостными свойствами мембраны (последнее слагаемое в уравнении, равное
произведению электрической ёмкости мембраны С на производную мембранного
потенциала по времени):
I = I* + I^ + I**+ C dф/dt.
При этом каждая из первых трёх составляющих в этом уравнении есть
произведение проводимости для конкретного типа ионов на разность произвольного
значения потенциала (в любой момент времени после электрического возбуждения
мембраны) и равновесного его значения, полученного по формуле Нернста (такая
формула уже приводилась в нашей статье выше).
Как показывает опыт работы, полную систему уравнений Ходжкина Хаксли
привести студентам затруднительно, и потому останавливаясь на этих двух уравнениях,
мы отмечаем студентам, что в 1952 году Хаксли вручную (поскольку ЭВМ ещё не было)
решил эту систему уравнений и получил функцию изменения мембранной разности
потенциалов во времени, приняв за начальные условия те реальные экспериментальные
условия, которые соответствовали моменту начала электрического возбуждения
мембраны. Полученная функция очень сильно «напоминала» реальную, полученную
в эксперименте зависимость трансмембранного потенциала от времени. С 1959 г. Хаксли
и независимо от него Коул получили возможность исследовать электрическое
«поведение» мембраны с помощью ЭВМ, используя метод имитационного
моделирования. Оказалось, что модель Ходжкина Хаксли, а точнее, её применение к
исследованию потенциала действия «воспроизводила» даже такие особенности
потенциала действия как рефрактерность (дополнительная невозбудимость мембраны
с момента подачи внешнего электрического импульса — в течение времени, равного
длительности потенциала действия и ещё небольшого интервала времени после
«возврата» к состоянию покоя), порог возбуждения и некоторую гиперполяризацию
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Органичное сочетание историко научного (ретроспективного) и основного предметного
знания при изучении физики в медицинских университетах
155
мембраны перед окончательным возвратом к состоянию покоя. Эти феномены подробно
представлены в учебниках, например, в [3], и мы не будем на них подробно
останавливаться, отметив главное: такая степень совпадения результатов теоретического
анализа и эксперимента свидетельствовала в пользу гипотезы, суть которой составляла
идея об изменении избирательной ионной проницаемости мембраны в процессе её
внешнего электрического возбуждения. При этом следует обязательно отметить, что
аналоги уравнений Ходжкина Хаксли для волокон сердечной мышцы были записаны
и апробированы Ноблом в 1962 году, а для миелинизированного волокна — в 1959 году
Доджем и Франкенхаузером; в них помимо калиевого и натриевого токов учитывали
токи хлора и кальция, но основные идеи мембранной теории оставались неизменными.
Следующий важный учебный фрагмент, который мы сопровождаем для
студентов историческими комментариями, связан с ионными каналами – это мы
позиционируем клише «механизм проницаемости биомембраны». Теоретическое
предположение о существовании каналов возникло вскоре после знакомства учёных с
моделью Ходжкина Хаксли – для того, чтобы эта модель адекватно описывала реальный
процесс, пришлось предположить, что каналы должны обладать свойствами:
селективности (избирательной проницаемости для ионов: вероятность проникновения
иона калия через натриевый канал ничтожна и то же самое верно для ионов натрия);
взаимонезависимости действия; дискретности или функционирования в бинарном
режиме (реализуются только два состояния: открытое и закрытое); управляемости
внешним электрическим полем.
Из числа экспериментальных сюжетов мы упоминаем студентам об
исследованиях в начале 70 х гг. английским биофизиком Хилле процесса прохождения
через натриевые и калиевые каналы ионов разного диаметра, при этом один из типов
каналов был заблокирован, а в растворе были только те ионы, движение которых
изучалось в эксперименте. Ионы диаметра большего критического не проходили через
канал, и Хилле таким образом сделал оценку диаметра канала (для калиевого около 0,3
нм, для натриевого – чуть меньше) и представил его как трубку некоторого диаметра,
пересекающую мембрану, которая на одном конце имеет «заслонку» или «ворота»,
открытие и закрытие которых управляется мембранным потенциалом. «Заслонка»
заряжена и при изменении потенциала открывает или наоборот, — закрывает вход в
канал. Смещение такой заряженной группы в молекуле канального белка должно было
регистрироваться в виде импульса тока, конечно, кратковременного и весьма слабого.
Его удалось зарегистрировать в 1973 г. Кейнесу и Рохасу в натриевых каналах.
В те времена удалось также показать, что «ворота» и механизм инактивации
расположены в разных участках канала: фермент проназа, введённый внутрь
гигантского аксона кальмара, «откусывал» часть натриевого канала, выступающую из
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
156
А.В. Коржуев, Е.В. Шевченко
мембраны, но после такой процедуры канал продолжал открывать «ворота» под
действием деполяризующего потенциала, но не инактивировался (кстати, отметим
попутно, что объяснить, что могло следовать из таких экспериментальных результатов,
можно предложить самим студентам – в качестве самостоятельной задачи с
последующим обсуждением результатов с группой). Таким образом, предсказание
модели Ходжкина Хаксли о наличии двух обособленных процессов – активации и
инактивации – получило экспериментальное подтверждение.
Указываем студентам также и на то, что Хилле удалось оценить плотность
расположения натриевых каналов на мембране: Хилле, который оценил диаметр канала,
рассчитал его сопротивление, а зная удельное сопротивление мембраны, можно было
найти плотность каналов (их число на единицу площади поверхности мембраны). В те
времена использовали и другой метод: определялось число молекул тетродотоксина,
необходимое для полной блокады натриевой проводимости (в предположении, что одна
молекула блокирует один канал) – и эти методы дали достаточно близкие результаты
по числу плотности каналов. Оценка этой величины дала результат: несколько десятков
каналов на один квадратный микрон площади мембраны. Это весьма невелико – на
такой же площади располагается несколько миллионов молекул липидов. Образная
аналогия, уместная в этом случае, — решето, в котором всего несколько дырок, весьма
редко расположенных.
В заключение рассматриваемого блока учебного материала, сопровождаемого
значимым по времени и содержательному наполнению историческим фрагментом, мы
отмечаем для студентов, что развитие экспериментальных методик постепенно
позволило изучить свойства отдельных каналов. Одна из методик имела название patch
clamp – устройство (дословно – присоска) для локальной фиксации потенциала на
мембране; микроэлектрод не вводится внутрь мембраны, а плотно прижимается к её
поверхности — так, чтобы он охватывал только один ионный канал. Это оказалось очень
важным и информативным: было выявлено, что одиночный канал имеет два состояния
(открытое и закрытое), процессы открытия и закрытия вероятностные: при данном
уровне мембранной разности потенциалов есть определенная вероятность открыться
на некоторое время, а при другом уровне потенциала эта вероятность меняется.
Некоторую часть предлагаемого материала можно предложить для
самостоятельного обдумывания студентами (как задачу): чем определяется
наблюдаемый в эксперименте рост мембранной проницаемости для ионов калия при
скачке потенциала? Ответ предполагается бинарный: 1) либо присутствием в мембране
каналов разного «сорта» с различной чувствительностью к изменениям мембранного
потенциала и 2) либо вероятностным характером функционирования каналов
(последнее было подтверждено в эксперименте). Или такая задача: могла бы меняться
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Органичное сочетание историко научного (ретроспективного) и основного предметного
знания при изучении физики в медицинских университетах
157
плавно проницаемость мембраны для ионов калия, если бы все каналы были бы
одинаковыми и детерминированно управлялись бы электрическим полем? (Ответ
отрицательный: проницаемость менялась бы скачком). В заключение отмечаем для
студентов, что многое в плане каналов ещё неясно и статистическая физика ионных
каналов биомембран интенсивно развивается.
Наш многолетний опыт показывает, что ограниченные резервы учебного времени,
выделяемого на изучение курса физики в медвузах, не позволяют представить
интересные для студентов насыщенные историко научным материалом фрагменты
знания более подробно, нежели это представлено в статье. Однако, этот же опыт
уверенно показывает, что историческое наполнение в обсуждаемом случае, когда
изучается биоэлектрогенез клетки в медицинских университетах, весьма органично
вписывается в структуру основного предметного материала, наполняет его полезным
для профессиональной деятельности будущих медиков клиницистов содержанием,
позволяет включить студентов в активные формы работы.
Литература
1. М.Б. Беркинблит, Е.Г. Глаголева. Электричество в живых организмах. – М.: Наука, 1988.
2. А.В.Коржуев, Е.Л. Рязанова. Историческая реконструкция науки и её методов в
физическом образовании в медицинских университетах // Физическое образование в
вузах, № 4, том 19, 2013, с. 147–154.
3. И. Герман. Физика живого организма. – М.: Мир, перевод с англ.,1998.
4. Коржуев А.В., Шевченко Е.В., Хлопенко Н.А. Мембранная теория в биофизике в контексте
борьбы идей // Сибирский медицинский журнал, №6, 2005.
5. Ю.А.Владимиров, А.Я. Потапенко. Биофизика клеток, органов и систем органов. – М.:МГУ,
2008.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
158
А.В. Коржуев, Е.В. Шевченко
Coherent Combination of the Historic Contents and Basic
Material of the Physics Course in Medical Universities
A.V. Korjuev, E.V. Shevchenko
First Moscow Medical University named after I. M. Sechenov
Тrubеtskауа str, 8, Mоscow, 103152, Russia
E mail: akorjuev@mail.ru
Irkutsk State Medical University
Krаsnogo vosstаniyа str, 3, Irkutsk, 663051, Russia
The possibility of inclusion historic contents in the physics course in medical
universities is discussed in the article. Attention is focused on the theory of a nerve
pulse (action potential) genesis and its properties which was constructed by Hochkin &
Huxley in the middle of XX th century.
Keywords: biomembrane, transmembrane potential difference, potassium and
sodium electric current, ion channels, Hochkin & Huxley model used for description
exitable biomembrane.
Rеfеrеnсеs [in Russian]
1. Веrkinblit M.В., Glаgolеvа Е.G. Еlесtricity in living orgаnisms. – Moscow: NАUKА, 1988.
2. А.V. Кorjuеv, Е.L. Ryаzаnovа. Sciеncе аnd it’s mеthods historic rеconstruction in high mеdic еducаtion
// Physics in Higher Education, 19, No. 4, 2013, р. 147 154.
3. I. Gеrmаn. Physics dеscription of living orgаnism. – Moscow: Mir (trаnslаtеd from еnglish),
1998.
4. А.V. Korjuеv, Е.V. Shеvchеnko, N.A. Khlopеnko. Вiomеmbrаnе thеory in biophysics in thе fiеld of
idеаs figth // Sibirskiy Medicinskiu Journal, No. 6, 2005, р. 121 124.
5. Ju. Vlаdimirov, А. Рotареnko. Вiophуsic dеscription of cеlls, orgаns аnd sуstеms. – Moscow: МGU,
2008.
Подписано в печать 22 сентября 2014 г.
Формат 70х100/16. Заказ № 45. Тираж 330 экз. П.л. 9,9. Отпечатано в типографии ООО
«Издательский Дом МФО». Москва, В333, Ленинский проспект, 53. Тел.: (499) 132 66 51
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа