ВОЗБУЖДЕНИЕ
ВОЗБУЖДЕНИЕ — ответ живой протоплазмы на внешнее воздействие изменением характера или интенсивности протекающих в ней процессов; в более узком смысле — это физиологический процесс, к-рым нек-рые живые клетки (нервные, мышечные, железистые) отвечают на внешнее воздействие. Способность ткани к ответной реакции называется возбудимостью (см.). В. обусловливается активным изменением жизнедеятельности клетки, использующей для его осуществления внутренние запасы энергии; раздражители (см.) являются лишь фактором, запускающим эти изменения.
В процессе эволюции у нек-рых живых клеток появилась способность отвечать на раздражение активными реакциями, основным компонентом к-рых является специфическое изменение физ.-хим. и биохим, свойств поверхностной мембраны клетки. У многоклеточных животных В. является основной функцией клеток нервной ткани.
Нервная клетка (см.) обладает свойством проведения В. из того участка, где оно впервые возникло, в другие участки, а также передачи В. на другие клетки, т. е. может передавать сигналы от одних структур животного организма к другим.
Нервные клетки, генерирующие В., имеются уже у низших кишечнополостных животных (напр., у гидр). Усложнение нервной системы в процессе эволюции происходило за счет изменения строения и функции нервных клеток, появления множества отростков, по к-рым В. может распространяться на значительные расстояния и вовлекать в деятельность большое количество других клеток, ускорения развития В. и совершенствования механизма его проведения гл. обр. за счет многократного увеличения количества нервных клеток и усложнения связей между ними. Возбуждение и генетически связанное с ним торможение (см.) являются при этом основой всех видов нервной деятельности, в т. ч. и психической. В. является носителем информации о свойствах раздражителей и средством регуляции функций органов и систем организма. В. мышечных и железистых клеток является фактором, запускающим специфическую деятельность этих клеток — сокращение, секрецию.
В. тесно связано с развитием электрических явлений. Впервые наличие электрического тока в живом организме установил итал. ученый Л. Гальвани (1791), назвавший его «животным электричеством». В 1838 г. итал. ученый Маттеуччи (С. Matteucci, 1811—1868) показал, что мышца лягушки при сокращении генерирует электрический ток, достаточный для раздражения нерва другого нервно-мышечного препарата, а Э. Дюбуа-Реймон в 1848 г. открыл характерную реакцию, сопровождающую В., — так наз. потенциал действия (см. Биоэлектрические потенциалы). В 1850 г. Г. Гельмгольц впервые измерил скорость распространения В. в нерве лягушки. Бернштейн (J .Bernstein, 1868) при помощи изобретенного им дифференциального реотома подтвердил данные, полученные Г. Гельмгольцем, и определил скрытый период, время нарастания и спада потенциала действия. Затем эти измерения были проведены при помощи капиллярного электрометра на сердце (Э. Марей, 1876), нерве [Готч (F. Gotch), 1899] и скелетной мышце (А. Ф. Самойлов, 1908). Более точно регистрация потенциала действия была осуществлена Дж. Эрланге ром и Г. Гассером в 1924 г. при помощи катодного осциллографа.
Впервые теория В. была предложена Э. Дюбуа-Реймоном. В ее основу он положил гипотезу о наличии в живых образованиях особых молекул, к-рые он назвал электромоторными; каждая такая молекула, по мнению автора, состоит из двух половин: одна имеет положительный заряд, а другая — отрицательный. В покое молекулы располагаются на поверхности клетки так, что положительные заряды направлены наружу, а отрицательные — внутрь. При раздражении молекулы поворачиваются вокруг своей поперечной оси, и отрицательные заряды оказываются снаружи, что и создает потенциал действия.
Германн (L. Hermann, 1879) выдвинул так наз. ал итерационную теорию, согласно к-рой электрический потенциал возникает лишь в момент повреждения ткани; до этого никаких электрических потенциалов живые тканине имеют. Теория Германна так же, как и теория Дюбуа-Реймона, не имела каких-либо физ.-хим. обоснований.
В. Ю. Чаговец (1896) впервые воспользовался теорией электролитической диссоциации для объяснения электрических потенциалов в живых тканях. Он предположил, что В. связано с усилением обмена веществ и образованием диссоциирующих на ионы кислот, диффузия к-рых из возбужденного участка клетки ведет к появлению разности потенциалов между возбужденным и невозбужденным участком. Однако величины потенциалов, полученные в опытах, оказались значительно больше тех, к-рые должны быть согласно предположениям Чаговца. П. П. Лазарев (1916) предложил так наз. ионную теорию; он рассматривал в качестве механизма В. изменение соотношения в цитоплазме одно- и двухвалентных катионов. В наст, время эти теории представляют лишь исторический интерес.
Чрезвычайно важное значение для понимания сущности В. имела разработка Оствальдом (W. Ostwald, 1890), Овертоном (Е. Overton, 1902) представлений о наличии на поверхности клетки полупроницаемой мембраны, способной задерживать одни ионы и пропускать другие. На основе этих представлений Бернштейн (J. Bernstein, 1912) разработал мембранную теорию возникновения электрических потенциалов в живых образованиях, согласно к-рой на мембране клетки существует постоянная разность потенциалов (мембранный потенциал, или потенциал покоя). Бернштейн предположил, что при В. мембрана теряет свои полупроницаемые свойства, вследствие чего в возбужденном участке происходит исчезновение потенциала покоя. Положение теории Бернштейна о наличии па поверхности живых клеток полупроницаемых мембран, несущих на себе постоянную величину разности потенциалов, является основой современных представлений о сущности В.
Однако взгляды на характер ионных процессов на этой мембране существенно изменились, что связано с получением данных о том, что покоящаяся мембрана проницаема не только для ионов калия, как считал Бернштейн, но и для ионов натрия, к-рые должны были бы постоянно поступать через мембрану внутрь клетки (см. Мембранное равновесие). Ди-ном (В. Dean, 1941) и А. Ходжкином (1951) было выдвинуто предположение о том, что мембрана клетки обладает транспортной системой, способной переносить ионы натрия из клетки против электрохим. градиента за счет энергии обмена веществ (см. Транспорт ионов). При этом было показано, что в процессе В. разность потенциалов по обе стороны мембраны не исчезает, а меняется лишь полярность заряда мембраны, т. е. наружная поверхность мембраны становится отрицательно заряженной по отношению к внутренней.
Объяснение этого явления было предложено А. Ходжкином, Катцем (В. Katz) и А. Хаксли (1952). При возбуждении происходит не общее повышение проницаемости мембраны, а избирательное увеличение проницаемости только для ионов натрия (в нек-рых мембранах — для ионов кальция). Эти ионы, концентрация к-рых вне клетки значительно выше, чем внутри, начинают с большой скоростью диффундировать внутрь, перенося через мембрану положительные заряды и перезаряжая ее. Правильность такого предположения была подтверждена рядом экспериментов, и в частности прямым измерением ионных токов мембраны клетки во время В.
Наиболее точные данные о ионных токах мембраны во время В. получены методом так наз. фиксации напряжения на мембране. При помощи этого метода показано, что первоначально при В. возникает кратковременный, направленный внутрь клетки входящий ток. Затем его сменяет более длительный выходящий ток. Именно начальный, входящий, ток, связанный с движением через мембрану ионов натрия, вызывает перезарядку мембраны. Он исчезает, если клетка находится в безнатриевой среде. В нек-рых клетках в создании входящего тока участвуют также ионы кальция. Выходящий ток является результатом движения из клетки ионов калия. Он способствует быстрому восстановлению исходной электрической поляризации клеточной мембраны.
Существо перестроек в мембране, к-рые создают возможности для появления описанных выше ионных токов, является еще не ясным звеном в механизме В. По-видимому, движение ионов через мембрану происходит по системе каналов (пор) диаметром в несколько ангстрем, к-рые в покоящемся состоянии закрыты, но открываются в момент, по времени совпадающий с изменением электрического поля в мембране до определенной критической величины — порога (см. Проницаемость).
Изменение электрического поля в мембране можно получить пропусканием через нее электрического тока соответствующего направления. Поэтому именно электрический ток является универсальным раздражителем для возбудимых тканей. В. при этом возникает в области катода раздражающей цепи, где раздражающий ток направлен изнутри клетки наружу и поэтому снижает величину мембранного потенциала. Изменение поляризации клеточной мембраны при пропускании внешнего электрического тока получило название физического электро-тона. Возникающая в области приложения катода деполяризация мембраны обозначена как катэлектротон, а противоположный процесс, т. е. увеличение мембранного потенциала в области приложения анода,— как анэлектротон. Электротонические изменения на поверхности клетки сопровождаются соответствующими изменениями ее возбудимости (см.).
Если мембранный потенциал уже в нек-рой степени снижен, то достижение порогового значения деполяризации облегчается; наоборот, при увеличении мембранного потенциала, т. е. гиперполяризации клеточной мембраны, достижение порога затрудняется. Эти изменения возбудимости обозначаются как «физиологический» электротон (см. Электротонические явления). Нек-рыми исследователями описывались противоположные изменения возбудимости и поляризации в участках ткани, удаленных от места расположения катода и анода раздражающего тока (так наз. периэлектротон). Однако периэлектротонические явления имеют непостоянный характер.
Т. к. мембрана клетки обладает электрической емкостью, к-рую должен зарядить раздражающий ток, то эффективность последнего зависит не только от величины, но и от длительности его пропускания. Кривая зависимости раздражающего действия тока от его длительности (кривая Вейсса) имеет характерный для данной ткани вид и может быть использована для более подробной характеристики ее возбудимости. Л. Лапик предложил определять лишь нек-рые характерные точки этой кривой. Он обозначил пороговую силу длительного раздражающего тока как реобазу, а минимальное время действия тока в 2 реобазы, необходимое для возникновения В.,— как хронаксию (см. Хронаксиметрия).
При околопороговом раздражении В. может быть градуальным и нераспространяющимся. Однако при более сильных раздражениях процесс в мембране становится самоподдерживающимся, и возникающий потенциал действия имеет постоянную величину (см. „Все или ничего“, закон). При этом В. начинает распространяться по клетке с постоянной скоростью за счет раздражающего действия местных электрических токов, возникающих между невозбужденным и возбужденным ее участком. Скорость распространения В. в поперечнополосатых мышечных волокнах составляет от 1 до 4 м/сек, а в нервных волокнах колеблется от 1 до 130 м/сек, находясь в пропорциональной зависимости от диаметра волокна или его миелинизации (см. Нервные волокна). Длительность В. в различных клетках также значительно варьирует, изменяясь от 1—2 до десятков мсек.
Постоянство амплитуды потенциала действия является важным фактором, обеспечивающим высокую надежность передачи сигналов в нервных клетках. Кодирование информации об этих сигналах происходит посредством изменения частоты и последовательности распространения импульсов, а также их пространственного распределения в системе нервных клеток.
Появление В. в тканях сопровождается кратковременной фазой полной потери возбудимости (абсолютная рефрактерностью Длительность абсолютной рефрактерной фазы примерно совпадает с длительностью потенциала действия и составляет для поперечнополосатого мышечного волокна 2,5—4 мсек, для толстых нервных волокон 0,4 мсек, для сомы нервной клетки 2,5—4 мсек. Затем возбудимость постепенно восстанавливается (относительная рефрактерности) до исходного уровня и может превысить этот уровень (экзальтационная фаза).
Вслед за этими быстрыми изменениями в нек-рых клетках наблюдается дополнительный длительный период снижения возбудимости, совпадающий со следовой гиперполяризацией мембраны. Указанные циклические изменения возбудимости приводят к тому, что частота В. не может увеличиваться беспредельно; при высоких частотах раздражения наступает трансформация ритма возникающего В. (см. Лабильность).
При длительном действии раздражающего агента возникает противодействие возбудимой ткани в виде снижения возбудимости, к-рое получило название физиол, адаптации (см. Адаптация, физиологическая адаптация). В частности, при постепенном нарастании раздражающего тока он может не вызывать В., несмотря на достижение значительной интенсивности,— так наз. вкрадывание, или аккомодация (см.).
Возбудимость может быть снижена или полностью устранена действием ряда факторов. Одни из них блокируют систему каналов, обеспечивающих ионные токи в мембране (нейротоксины, нек-рые наркотики, двух- и трехвалентные катионы), другие вызывают стойкую деполяризацию мембраны, которая, как это было показано впервые Б. Ф. Вериго (1888), также подавляет возбудимость.
H. Е. Введенский рассматривал такую стойкую деполяризацию как особую форму нераспространяющегося В. (см. Парабиоз).
Т. к. обязательным условием возникновения В. является изменение исходной поляризации мембраны (мембранного потенциала), то в естественных условиях происходит активация особых механизмов, преобразующих внешнее раздражение в электрический ток. В рецепторных структурах проявлением такого преобразования является так наз. генераторный потенциал, к-рый представляет собой локальную деполяризацию клеточной мембраны. В синаптических соединениях между нервными клетками выделяемое окончаниями аксона одной клетки хим. вещество (медиатор) взаимодействует с рецепторными группировками постсинаптической мембраны другой клетки, что также приводит к местной деполяризации мембраны (возбуждающий постсинаптический потенциал). При достижении пороговой величины деполяризации создается распространяющийся импульс. В нервно-мышечном соединении местная реакция мембраны мышечного волокна, создаваемая медиатором, получила название потенциала концевой пластинки.
Возникновение В. связано с появлением не только электрической реакции, но также с развитием сложных структурных и биохим, изменений. Происходит нарушение ионного равновесия между цитоплазмой и средой: клетка приобретает нек-рое количество ионов натрия и теряет соответствующее количество ионов калия. Это нарушение активирует ферментные системы транспорта ионов через мембрану, восстанавливающие нарушенное равновесие. Происходит изменение теплопродукции и потребления кислорода, что также является характерным признаком возбужденного состояния.
Исследования на изолированных нервах показали, что поглощение кислорода, составляющее в покое от 30 до 100 мм3 на 1 г ткани, при раздражении увеличивается в среднем на 24%. Теплопродукция при В. разделяется на две фазы — начальную и задержанную (длящуюся несколько минут после окончания раздражения). Во время начального теплообразования выделяется ок. 8×10-6 кал на 1 г нервной ткани; общее же теплообразование значительно больше (7×10-5 кал), так что непосредственно во время В. выделяется всего ок. 10% тепла.
Хим. анализ показал, что в нервных клетках содержится ряд ферментов, участвующих в процессах аэробного и анаэробного обмена и процессах фосфорилирования; активность этих ферментов изменяется при В.
На расход энергии при проведении В. указывает падение содержания АТФ и изменение уровня АТФ-азной активности в нерве во время работы. Получены данные о том, что проведение В. сопровождается хим. реакциями, в ходе к-рых возникают свободные радикалы (см.), и что интенсивность этих реакций регулируется природными ингибиторами — антиокислителями (см.). Показано также, что образование свободных радикалов происходит гл. обр. в фосфоинозитидах, а фосфотидилхолиновая фракция фосфолипидов обладает антиокислительной активностью.
Об ультраструктурных перестройках в нервном волокне при В. известно мало; в частности, проведение В. сопровождается конформационными изменениями в белковых молекулах, изменением двойного лучепреломления и др.
Изучение процессов В. проводят с помощью различных физиол., биохим., биофиз, и других методов. Широкое применение имеет метод меченых атомов.
См. также Лабильность.
Библиогр.: Бериташвили И. С. Общая физиология мышечной и нервной системы, т. 1—2, М., 1959 —1966; Воронцов Д. С. Общая электрофизиология, М., 1961, библиогр.; Жуков Е. К. Очерки по нервно-мышечной физиологии, Л., 1969; Катц Б. Нерв, мышца и синапс, пер. с англ., М., 1968, библиогр.; Насонов Д. Н. Местная реакция протоплазмы и распространяющееся возбуждение, М.—Л., 1962, библиогр.; Tасаки И. Проведение нервного импульса, пер. с англ., М., 1957, библиогр.; Ходжкин А. Нервный импульс, пер. с англ., М., 1965, библиогр.; Xодоров Б. И. Общая физиология возбудимых мембран, М., 19 75, библиогр.; Экклс Дж. Физиология нервных клеток, пер. с англ., М., 1959, библиогр.
П. Г. Косткж, О. Р. Колье.