Н.А. Несмеянов
И.А. Несмеянов
А.А. Несмеянов
Явление повышения амплитуды
(величины) потенциала действия нервных
волокон при его регенерации в
последующем перехвате Ранвье
(Явление Несмеяновых)
Ганновер 2020
Sonderdrück aus
Hannoversches Jahrbuch
Band 24, 2020
Serie: Biochemie
Unter Förderungen der Europäischen
Akademie der Naturwissenschaften e.V.
Gegründet 2002 Hannover, Deutschland
Vorstand und Bereit
1. Vorsitzender Prof. Dr. V.Tyminskiy
2. Prof. Dr. A. Marschan
3. Prof. Dr. K. Matkovski
Механизм явления Несмеяновых энергетического обеспечения регенерации амплитуды потенциала действия нервных волокон
«Медицина, лишь обогащаясь постоянно,
изо дня в день, новыми физиологическими
фактами, станет, наконец, когда-нибудь
тем, чем она должна быть в идеале, т. е.
умением чинить испортившийся механизм
человеческого организма на основании
точного его знания, быть прикладным
знанием физиологии»?
Лауреат Нобелевской премии И.П. Павлов
Предисловие
Каждое явление имеет свой механизм. Широкое использование понятия «механизм» обусловило необходимость установления существования общепризнанного его определения. Определение механизма явления в доступной литературе было найдено только в «Большом толковым словаре русского языка» Института лингвистических исследований. В нем под понятием механизма явления раскрывалась «совокупность состояний и процессов, из которых складывается какое-либо физическое, химическое, физиологическое, психологическое и т.п. явление» [1, с. 539].
Анализ участвующих в регенерации потенциалов действия (в дальнейшем ПД) состояний и процессов при подготовке заявочных материалов на открытие № 05 – 2020 производился на основании фундаментального закона сохранения энергии [2, с. 1572], находящихся в состоянии причинно следственных зависимостей того или иного изучаемого явления. Это облегчало установление состояний и процессов, действительно участвующих в конкретно изучаемых явлениях, и отсеять не имеющих отношения к конкретному исследуемому явлению, например, — «градиент».
Логично считать, что любая теория изучаемых процессов и явлений, особенно физиологических, складывается из их подробного анализа для уяснения механизма. Все они должны соответствовать фундаментальному закону сохранения энергии [2, с. 1572] и находиться в причинно следственной зависимости между собой.
На самом деле в физиологии это бывает зачастую не так. Классическим примером воспринимаются некорректности в этой области, Их можно найти в предисловие к русскому изданию книги «Нервный импульс» Аллена Ходжкина. Где редактор доктор биологических наук Е.А. Либерман сообщает: «Книга является образцом полноты, четкости и краткости изложения этого важнейшего вопроса общей физиологии. Затронутыми в книге проблемами в течение последних 30 лет занималось в разных странах более тысячи ученых, и, тем не менее, профессор А. Ходжкин является автором фактически всех общепризнанных в настоящее время теорий о роли ионных градиентов в генерировании нервного импульса и о механизме распределения ионов между клеткой и средой. А. Ходжкин принимал непосред¬ственное участие в постановке большинства экспериментов, которые со временем, несомненно, станут классическими. Эти экспериментальные и теоретиче¬ские работы принесли Аллену Ходжкину мировую известность и заслуженную награду — Нобелевскую премию 1963 г.
В данной книге практически не затронуты спор¬ные вопросы. В ней изложены только твердо уста¬новленные и наиболее важные факты, характеризующие роль локальных электрических токов в передаче нервного импульса, значение изменения ионной про¬ницаемости при генерировании этих токов, а также связь ионных потоков с обменом веществ. Все факты рассмотрены в свете современной мембранной теории, созданной А. Ходжкином в сотрудничестве с профессорами Б. Катцем и А. Хаксли.
Книга А. Ходжкина очень интересна для широкого круга читателей. Она необходима каждому научному работнику любой отрасли биологии, биофизики, биохимии и медицины. Книга будет чрезвычайно полезна также студентам, преподавателям средней школы и ученикам старших классов как прекрасный и увлекательно изложенный образец научной работы [3, с. 5].
Начало использования градиента в физиологии
При подробном анализе текста книги Ходжкина выясняется, что ионы натрия и калия якобы передвигаются «по градиентам концетрации» [3, с. 51]. Само же выражение градиент у него в тексте книги используется 17 раз. Чаще в виде выражений «по градиенту» [3, с. 32] и «против градиента» [3, с. 92]. В отношении энергии затрачиваемой на массоперенос в клетке он утверждает, что «это, по-видимому, хорошо согласуется с представлениями мембранной теории, согласно которым непосредственный источник энергии для проведения импульсов заложен в градиентах концентрации ионов.[3, с. с. 46, 47].
Обращает на себя внимание, что нет ни слова о понятии энергия и о законе ее сохранения. Это было воспринято с позиций закона сохранения энергии с большой долей сомнения, на основании формулировки понятия энергия, которая в переводе с греческого языка означает действие или деятельность и является общей количественной мерой формирования различных форм движения материи. В физике соответственно различным физическим процессам различают энергии: механическую, тепловую, электромагнитную, гравитационную, ядерную и т. д. [2, с. 1572]. Других компонентов для формирования движения материи в физике не встречается.
Важно, сразу указать, что в отношении градиентов позиции А. Ходжкина практически совпадают с позициями В. О. Самойлова. В то время как Ходжкин, не достаточно уверен и краток. Он, зачастую, начинает свое изложение с вводного выражения «по-видимому», характеризующего глубину и неуверенность в излагаемых материалах.
Самойлов В. О. пространен и уверен. Они, — пишет он о градиентах, — являются тем потенциальным ресурсом, который обеспечивает совершение клеткой в нужный момент свойственной ей работы: генерации нервного импульса нейронами, сокращений мышечных волокон, для обеспечения движений, транспорта веществ через клеточные мембраны в процессах всасывания, секреции, выделения и т. д.
Физико-химические градиенты организма, — продолжает он, — являются основой его активности. На что затрачивается значительная часть энергии, на их создание и поддержание. Важно понять, что именно градиент, а не просто разность величин данного физико-химического параметра, служит движущей силой многих жизненных процессов, например, транспорта веществ в организме [4, с. 212].
Другие авторы: Воронцов Д. С. [5, с, с. 295, 298 (два раза), 308 (два раза), 309, 311 (два раза), 312, 313]; Э. Лайтфут [6, с. 264 (три раза), с. 308]; А. Поликар [7, с. 72 (два раза)] и др. обошлись в публикациях понятия градиент, как правило, характеризуя одним или двумя словами.
Попытка сформулировать определение понятия «градиент» ранее была предпринята на страницах учебника «Медицинская биофизика» издания Военно-медицинской ордена Ленина краснознаменной академии им. С.М. Кирова, Л., 1986 года [8, с. 22].
Напомним, — трактовал автор, что градиентом какой-либо физической величины называется вектор, численно равный разности значений этой величины (У) в двух бесконечно близких точках (А и В) пространства, отнесенной к расстоянию (АВ→0) между ними.
Но в связи с рядом обстоятельств появилась необходимость в подготовке и выпуске нового дополненного и переработанного издания книги «Медицинская биофизика» [4, с. 9].
В новом издании исчезла и эта формулировка градиента, и теперь она составляет только историческую «ценность» с ниже следующим содержанием. Таким образом, «важнейший параметр общей физиологии» – градиент оказался и без этого определения. Что позволило обратиться к определению, часто использованному в математике и физике.
Физический смысл понятия градиент
По этому поводу в учебнике «Теоретические основы электротехники» говорится, что в курсе математики пользуются понятием градиента скалярной функции. Под градиентом скалярной функции понимают скорость изменения скалярной функции, взятую в направлении ее наибольшего возрастания. В этом определении градиента существенны два положения. Первое то, что направление, в котором берутся две близлежащие точки, должно быть таким, что скорость изменения потенциала максимальна. Второе то, что направление это таково, что скалярная функция в этом направлении возрастает (не убывает) [9, с. 537]. Что оговорено и в математике (И.Н. Бронштейн, К.А. Семендяев, «Справочник по математике», М., 1962, с. 535).
А, вот скорость не может формировать перемещение веществ, каких бы то ни было. Так как она является всего лишь характеристикой состояния вещественных тел предметов. Находятся ли они в состоянии покоя, или перемещаются относительно наблюдателя. А если перемещаются, то, как быстро. В противном случае будут нарушены фундаментальный закон сохранения энергии и условия определения понятия энергия, которая в физике соответственно различным физическим процессам различают на механическую, тепловую, электромагнитную, гравитационную, ядерную и т. д. И только она является мерой формирования движения [2, с. 1572].
Следовательно, ссылки на градиент при попытках объяснения механизма массопереноса в биологии некорректны. А, отсюда следует, что и по Ходжкину, и по Самойлову ПД массоперенос не осуществляется.
По Ходжкину, это потому, что, по его мнению, источник энергии для проведения импульсов заложен в градиентах концентрации ионов [3, с. 47].
Самойлов же прямо считает, что градиенты являются тем потенциальным ресурсом, который обеспечивает совершение клеткой в нужный момент свойственной ей работы: генерации нервного импульса нейронами, сокращений мышечных волокон, для обеспечения движений, транспорта веществ через клеточные мембраны в процессах всасывания, секреции, выделения и т. д. [4, с. 212].
Отношение А. Поликара и В. Самойлова к проблемам физиологии
А. Поликар в своих работах (1972, 1975) не только отметился важным кратким выражением, характеризующим, его глубину познаний, вводным выражением по-видимому 14 раз, но и конкретно охарактеризовал как собственный уровень пониманий обсуждаемых проблем, так и знаний и своих коллег. А в конце строго предупредил.
Исследованию периферической мембраны клеток посвящено множество работ, – оповещает он. И добавляет — ученые всегда отдавали себе отчет в ее важном функциональном значении, но механизм этой функциональной активности до сих пор еще остается неясным. Накоплено огромное количество фактов, касающихся этой проблемы, но многие выдающиеся биологи отступили перед этой массой данных, зачастую, казалось, ничем не связанных между собой. И предупреждает: Самое опасное для биолога — это думать, что все обстоит очень просто [11, с. 9].
Самойлов В.О. тоже четырежды отличился использованием вводного слова «по-видимому» [4, с.с. 64, 65, 73, 75]. Что демонстрирует его сомнения и недостаточный уровень корректности по вопросам источника питания формирования ПД и передачи его по нервным волокнам организма теплокровных.
Подытоживая сложившиеся взгляды на механизмы транспорта веществ через клеточные мембраны, — Самойлов пишет, — нельзя не отметить единодушного мнения о разнообразии транспортных процессов: диффузия сквозь липидный бислой, движение по мембранным каналам, перемещение в комплексе с переносчиком [4, с. 67]
Что касается диффузии, то она как чрезвычайно медленный процесс [10, с. 17] не может проявлять заметный эффект за чрезвычайно короткие промежутки времени (0,001 сек) [3, с.14] в массопереносе сквозь мембрану.
Аналогичная точка зрения и на осмос просматривается у других авторов (С. –Т. Хванг, К. Каммермейер, 1981). «Осмос – это диффузионный процесс, — сообщают они, — в котором через мембрану проходит только поток растворителя, – из области с меньшей концентрацией в более концентрированный раствор [13, с. 44]. Этим определением показано, что явления диффузии и осмоса не имеют отношения к массопереносу растворенных компонентов через мембраны.
Интересно изложена цитата у Самойлова В.О. в разделе 1.1.6. «Биофизические механизмы транспорта веществ (массопереноса) через биомембраны». Массоперенос, происходящий в результате сопряженного действия осмотического и гидростатического градиентов, — пишет он, — принято называть конвекционным (конвек¬тивным) потоком. Им определяется, прежде всего, трансмембранный ток воды вместе с растворенными в ней веществами. Массоперенос ионов через мембранные каналы обусловлен термодинамическим сопряжением концентрационного и электрического градиентов.
Ну, если, действительно, такой поток существует, вместе с растворенными в ней веществами, то для чего рассматриваются другие массопереносы? Например, следующий, — молекулярный механизм использования энергии АТФ для работы калий-натриевого насоса, который еще не вскрыт [4, с.с. 73, 74]..
В самом общем виде его сформулировал Д. Скоу в 1957 г., — пишет Самойлов, — он предполагал, что на внутренней стороне БМ находятся молекулярные комплексы способные фосфорилироваться за счет присоединения кон¬цевой фосфатной группы АТФ, отщепляющейся при его гидролизе. Фосфорилированный транспортный комплекс переносит (За счет чего? Какой механизм?) связанный с ним Na+ на наружную сторону клеточной мембраны, где обменивает его на К+ (Как? Какой механизм?). Приняв ионы калия (За счет какого вида энергии?), он транспортирует их внутрь клетки (Как, без затрат энергии?), после чего дефосфорилируется. Для следующе¬го транспортного цикла ему необходимо новое фосфорилирование за счет гидро¬лиза АТФ.
С тех пор как были высказаны общие положения о работе калий-натри-евого насоса, появилось много гипотез, конкретизирующих участие в ней Na-K-АТФазы. Ни одна из них не является общепринятой, но все модели активно¬го транспорта натрия и калия предусматривают конформационные превращения транспортной АТФазы, сопровождающиеся ее перемещениями в пространстве биомембраны. Некоторые исследователи полагают, будто калий-натриевая помпа действует по принципу перистальтического насоса, который попеременно открывает и закрывает натриевые и калиевые каналы, расположенные в БМ по соседству с Na-K-АТФазой [4, с.с. 73, 74].
Пожалуйста, и здесь сами физиологи не нашли общего языка. Видимо, что-то серьезное не позволяло давать оптимальные решения в этих важнейших проблемах физиологии. Подобное уже было в истории биологической науки.
Подобное из истории в сравнении
При исследованиях, связанных с подготовкой заявочных материалов на открытие «Явление повышения значения потенциала действия нервных волокон во время его регенерации в последующем перехвате Ранвье (Явление Несмеяновых)» № 05 — 2020 повстречалась история флогистона. Создателем теории флогистона считают Георга Шталя (1659—1734), профессора медицины и хи¬мии. Правда, идея о «материальном» горючем начале — флогистоне была высказана еще Иоахимом Бехером (1635—1682). Он опубликовал научный трактат «Подземная физика» (1669), посвященный минеральным веществам. Бехер полагал, что они состоят из воды и трех «земель»: стеклующейся, ртутной и горючей. При сжигании вещества горючие, или масляные, компоненты улетучиваются. Идеи И. Бехера легли в основу первой химической теории — теории флогистона, которая в трудах Г. Шталя получила дальнейшее развитие. В новую теорию ученый сумел вдохнуть жизнь, став ее активным защитником.
Однако уже тогда было известно, что окисление — обжиг металлов приводит к увеличению массы. А как же быть с потерей флогистона? Что же увеличивает массу?
Шталь был так влюблен в свою теорию, что на подобные мелочи не обращал внимания. Но эксперименты подтверждали увеличение массы, и это требовало объяснения. Последователи Шталя, не мудрствуя лукаво, решили вопрос гениально просто: флогистон – имеет отрицательный вес. Все сразу встало на свои места [ 12, с. с. 15, 16]
Тепловое расширение тел известно в научном мире со времен М. В. Ломоносова (1711-1765), развивавшего атомно-молекулярные представления строения вещества и утверждавшего, что теплота обусловлена движением «корпускул», и, одним из первых исключившего флогистон из числа «химических агентов» [2, c. 733].
Заблуждения в области тепловой энергии и ее преобразования в свое время в истории развития науки уже сыграли свою неприглядную роль, удерживая ее на ложном пути более 100 лет. Теория флогистона полностью была отвергнута только после блестящих экспериментов А. Лавуазье, когда он и его коллега математик и физик П. Лаплас в присутствии группы французских ученых синтезировали воду из кислорода и водорода. “При этом масса образовавшейся воды была равна массе водорода и кислорода, участвующих в реакции” [12, с. с. 15-29].
Удивительно сильно похожи сторонники флогистона по категоричности заявления об отрицательном весе и сторонники градиентов.
Они являются тем потенциальным ресурсом, — пишет Самойлов о градиентах, — который обеспечивает совершение клеткой в нужный момент свойственной ей работы: генерации нервного импульса нейронами, сокращений мышечных волокон, для обеспечения движений, транспорта веществ через клеточные мембраны в процессах всасывания, секреции, выделения и т. д.
Важно понять, что именно градиент, а не просто разность величин данного физико-химического параметра, служит движущей силой многих жизненных процессов, например транспорта веществ в организме. Во всех уравнениях, выражающих закономерности процессов переноса веществ и энергии, аргументами являются градиенты [4, с. с. 212].
О переносчиках у исследователей неоднозначное мнение. Так А. Ходжкин (1965 г.) сообщает, в настоящее время у нас нет ясного представления о природе переносчиков в мембране и нет также реальных доказательств их существования. Однако и в этом направлении начинают проводиться первые эксперименты [3, с. 108].
Идея такого переносчика не нова, — излагает свои взгляды А. Поликар,- упоминая инициаторов существования переносчиков Пфеффера 1890 г. и Фрейндлиха 1915 г. Однако механизм его действия, различный в разных случаях, еще очень мало изучен. Неизвестно, в каких участках мембраны образуется переносчик и каковы молекулярные структуры, принимающие участие в том процессе. Однако, начиная с 1959 года удалось установить его связь с ферментами. Теперь считают, что активный транспорт в мембранах относится к области энзимологни; по всей вероятности, именно энзимологические методы позволят разъяснить загадку этого важного процесса [7, с. 73].
Обнадеживающие результаты исследователей и об упущениях теоретиков
Удивительно противоречивые позиции исследователей. Если А. Поликар (публикация 1972 года) возлагает надежды на энзимологию, то всего лишь несколькими годами ранее, Эйзенман (1968 г.) говорит, что скорость переноса может лимитироваться скоростью поверхностных реакций. И еще — есть веские причины полагать, что все эти механизмы переноса ионов, а также зависимость скорости переноса от скорости поверхностной реакции имеют место в действительности [6, с. 303]. Явно просматривается и неуверенность и попытка безосновательного убеждения.
И, наконец, группы Прессмана и Ларди показали, что некоторые ионофоры могут вызвать перенос ионов против электрохимических градиентов, причем, этот процесс требует энергии [6, с. 305]. Кстати, А. Поликар и в этом вопросе стоит близко с Лайтфутом. В биологической клетке, — замечает он, — происходит еще и такой транспорт, при котором перемещение веществ осуществляется с гораздо большей скоростью, чем при пассивном транспорте, зависящем от диффузии, градиентов концентрации или гидродинамических факторов, и притом против обычных градиентов; кроме того, такой транспорт невозможен без поступления энергии [7, с. 72].
Это перспективное изложение заключения, прямо указывающее на существование и необходимость разработки метода механического перемещения растворов с использованием тепловой энергии. Оно не противоречит принципу оптимальности существует в природе. Одним из главных критериев оптимальности является минимальный расход энергии при достижении поставленной цели. В этом смысле Природа нас значительно опередила, и нам, — сообщают Ставицкий А.И., Никитин А.Н, — есть чему у нее поучиться [14, с.12].
В процессе ознакомления с вопросами массопереноса на клеточном уровне — метаболизма было установлено, что заниматься отдельно переносами ионов и других необходимых для организма веществ не имеет смысла. Так как еще со времен Овертона (1902) известно, что большое количество веществ, даже таких, которые необходимы клетке для ее жизни (например, сахар, аминокислоты), почти не проникают внутрь мышечных волокон при их по¬койном состоянии [15, с. 285]. В таком случае и более тысячи ученым тридцать лет в разных странах не стоило заниматься градиентами. Ибо градиенты, будучи не энергией, а скоростью [9, с. 537] не могут служить движущей силой жизненных процессов, например, транспорта веществ в организме [4, с. 212]. Поэтому они к массопереносу вообще не имеют отношения.
К тому же во всех случаях мембрана, — по мнению А. Поликара, — так или иначе, принимает участие в перемещении проникающего вещества, так что различие между пассивным и активным транспортом до некоторой степени условно. Всегда необходимо анализировать молекулярные процессы, совершающиеся в мембранах при перемещении веществ, а также факторы, которые их контролируют. Так как во всяком биологическом явлении, здесь нет изолированных процессов; все взаимосвязано и взаимозависимо [7, с. 72].
Странным воспринимается молчаливое игнорирование целого ряда наблюдаемых явлений при проведении экспериментов.
Так обойдено молчанием замечание А. Ходжкина: «Поскольку мы не знаем, как происходят изменения- проницаемости мембраны» [3, с. 85], Это означает, что по мнению Ходжкина, не известно как происходит обмен веществ на клеточном уровне. К тому же уже известно, что мембрана непроницаема в спокойном состоянии [15, с. 285].
А вот если теперь собрать воедино все физические факторы, наблюдаемые в экспериментах и выстроить их в логическую цепочку то можно получить почти полную картину работы от источника питания, формирования потенциала действия до рефрактерного периода во время регенерации ПД.
Аллен Ходжкин с сотрудниками проводил свои известные опыты на изолированных аксонах [3, с.18]. Что дало ему возможность установить ряд интересных наблюдений, связанных с тепловй энергией.
Во-первых, стало понятным, что энергия формирования ПД и его передача по волокну вырабатывается в самом нервном волокне [3, с. 14]. Во-вторых, периоды функционирования нервного волокна сопровождались выделением тепловой энергии [3, с. с. 86, 87]. Одновременно этот процесс сопровождался потреблением кислорода и выделением углекислоты [3, с. 90; 16, с. с 21, 22]. Мало того, потребление кислорода изменялось прямо пропорционально интенсивности функционирования нервного волокна. «Нерв в состоянии покоя, — пишет Ходжкин, — при 20° освобождает благодаря окислению примерно 6,4 • 10-5 кал/г·сек, а при непрерывном раздражении с максимальной частотой теплопродукция нерва увеличивается примерно в два раза [3, с. 90].
А вот какие последствия эти энергетические проявления вызывают у клетки, приводит А. Поликар в работах (1972, 1975 годы). Вот что он сообщает: «Микрокиносъемка живых клеток под фазово-контрастным микроскопом позволяет ввести четвертое измерение — время. При помощи этого метода можно выявить чрезвычайно важное свойство клеточной поверхности — ее изменения во времени. Помимо образования выростов и впячиваний, о которых мы будем говорить ниже, поверхность живой клетки обычно совершает волнообразные колебательные движения, т. е. находится в непрерывном движении. Эта особенность еще мало изучена вследствие чисто технических трудностей. Однако она играет важнейшую роль в нормальной и патологической физиологии клетки [11, с. 12].
Оказалось, что мембрана не просто колеблется, а вместе с ее колебаниями происходят еще и изменения объема клетки и внутреннего давления.
Клетка подвергается своего рода перемещающимся динамическим колебаниям, которые приводят ее в состояние сильной и слабой сократимости поочередно. Эти динамические колебания вызывают своего рода пульсацию на клеточной поверхности. Даже в самом веществе клетки происходят циклические локальные изменения внутреннего давления [11, с. 73]. Еще тремя годами раньше он утверждал, что перемещение вещества через мембрану зависит от разности давлений по обе стороны мембраны [7, с. 71].
О принципе действия источника питания при формировании ПД
Для облегчения и четкого представления состава процессов и состояний потенциала действия была сканирована осциллограмма травянистого краба диаметром 30 мк. вместе со шкалой времени 1 кГц. Потом она была увеличена до формата А4, разбита на 5 типовых периодов, с пометкой стрелками переходов процессов.
Первый типовой период между точками, отмечен стрелками А и В (Рис. 1). Это участок осциллограммы, изменяющийся по экспоненциальному закону, является характеристикой, связанной с изменением нагрева мембраны имеет длительность 180 мксек. В точке А (Рис. 1.) начинается процесс окисления компонентов обеспечения тепловой энергией. Одновременно с этим протекает и нагрев клетки, приводящий к изменению давления внутри клетки от атмосферного в меньшую сторону. Далее перепад давления растет до критической величины. А так как поры могут быть от 0,4 до 0,7 и даже 1,5 нм [4, с. с. 51-54], то с нарастанием перепада давления первыми пропускают раствор поры максимального диаметра, потом меньшего и самого малого диаметра. Наконец в точке В (Рис.1.) открываются все поры и формируется лавинообразный процесс вхождения в клетку раствора одновременно со всеми растворенными в нем веществами. На осциллограмме он выглядит в виде наклонной прямой между точками В и С (Рис.1.) . Ионы натрия могут входить в клетку только до точки С (Рис. 1.), точки полной компенсации потенциала покоя равног -70 мВ [3, с. 18; 17, с. 38, 39, 61, 70]. Далее по закону Кулона этот процесс прекратится, так как по закону Кулона одноименные заряды отталкиваются.
Изменение отрицательной поляризации клетки -70 на положительную (овершут, инверсия, реверсия [4, с. 277; 3, с.35]) происходит за счет перехода гель в золь и обратно в зависимости от состояния цитоплазмы.
Выше изложенные материалы, представляющие собой процессы и состояния формировании ПД заимствованы из заявочных материалов на открытие № 316 [18]. В которых процессы формирования потенциала действия демонстрируют работу насоса, изобретенного головой Магдебурга Отто Герике в 1650 году. А так как существование закона сохранения энергии связывает все явления природы воедино, и по экспериментальным данным формирование потенциала действие сопровождается выделением тепловой энергии, поглощением кислорода, выделением углекислоты [3, с.с. 86, 87, 90; 16, с.с. 21, 22], то выходит, что определены компоненты работы источника питания,
Ими явились глюкоза и кислород. Приведенные данные не противоречат утверждению Ходжкина о поставке энергии нервным волокном [3, с. 14] и уточненным данным С. Дейча о регенерации ПД в области очередного перехвата Ранвье [17, с. 48].
Сформированные потенциалы действия по нервному волокну распространяются как в пассивном RC-кабеле и приходят к соседнему перехвату Ранвье с увеличенной длительностью и уменьшенной амплитудой, но больше пороговой (20 мВ) в несколько раз, необходимой для запуска механизма регенерации и равной по величине порядка 56 мВ [17, с. 48; 19, с.с. 29, 30].
Необходимость в этом преобладании импульса обуславливается существованием энергетического барьера компонентов реакции, связанного с отталкиванием электронных оболочек реагирующих веществ, вследствие одинаковых по знаку зарядов [20, с. 84].
Глюкоза является одним из ключевых продуктов обмена веществ, обеспечивающий живые клетки энергией [2, с. 316]. Кислород, потому, что он имеется во всех водных растворах на планете Земля.
Об энергетическом барьере в химических реакциях и об их преодолении
С выбором в качестве компонентов энергетического обеспечения функционирования нервного волокна глюкозы и кислорода повстречалась еще одна трудность, связанная с хранением их в цитоплазме клетки.
Как же эти два компонента сохраняются в организме до нужного момента? Активнейшие в реакциях окисления и в короткий промежуток времени реагирующие друг с другом при приходе ПД предыдущего перехвата Ранвье. Реакция окисления и прогрев завершаются за 180 мксек (см. Рис. 1. между стрелками А и В).
Поиски необходимого надежного метода хранения завершились успешно в учебнике по химии. Возникает впечатление, − сообщается в нем, − что существует какое-то препятствие, мешающее системе быстро перейти из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией. Действительно, реагенты должны преодолеть энергетический барьер для превращения в продукты, так как при сближении атомов (молекул) реагирующих веществ их электронные оболочки взаимно отталкиваются вследствие одинаковых по знаку зарядов [20, с. с. 83, 84].
Непонятно почему еще один раздел химии не отнесен к разделу существования энергетического барьера, но он не просто существует. А даже, упомянутые процессы в нем сопровождаются выделением тепловой энергии. Эта группа объединяет разнообразные взаимодействия, в том числе процессы образования различного типа смешанных сольватов (гиратизаций), ионных ассоциатов и смешанных комплексов типа
[Fе(NH3)2Сl2(Н2О)]+, [Co(NH3)3(N02)2H20] + и т.п. [20, с. 296].
Приведенный краткий обзор взаимодействий, — сообщается дальше в источнике, — между частицами растворенного вещества и молекулами (и ионами) растворителя показывает исключительную сложность полного описания всей системы частиц в растворе, поэтому обычно выбирают один или несколько наиболее важных процессов, определяющих поведение системы, пренебрегая многообразием остальных [20, с. 296].
Координацию можно рассматривать как одно из фундаментальных свойств вещества, заключающееся в способности частиц взаимодействовать с частицами того же состава или другими с образованием более или менее устойчивых агрегатов.
Координация осуществляется и при взаимодействиях, обусловленных слабыми силами, типа сил Ван-дер-Ваальса, и энергетически средними силами, как водородная связь, и при сильных взаимодействиях — формирование ионного, полярного, ковалентного и в их числе донорно-акценторного типов связи.
Способность частиц окружать себя другими частицами — координировать их — присуща любым веществам. Координация как стремление одной частицы окружить себя подобными частицами или частицами любого другого сорта приводит к отклонению поведения газов от идеального состояния, образованию структур жидкостей и кристаллов простых и сложных молекул, слабосвязанных ассоциатов ионов и молекул, цепей молекул и т. п. [20, с. 296].
Любая координация частиц способствует увеличению степени порядка в системе, поэтому изменение энтропии в результате этого процесса должно быть отрицательным. Чтобы изобарный потенциал уменьшался при протекании самопроизвольных процессов (ΔG < 0), энтальпия в процессах координации также должна уменьшаться (ΔH <0). Следовательно, процессы взаимодействия частиц сопровождаются выделением теплоты [20, с. 296].
Ну а если каждая растворенная частичка проходит сложные преобразования с формированием выделенустойчивых агрегатов с выделением тепловой энергии, то и разрушение этих «агрегатов» должно сопровождаться затратой энергии 20, с. 296]. Ведь закон сохранения энергии распространяется на все явления природы.
Ионы калия, находясь в организме в ионном состоянии, выстроены в трехмерную решетку с проникшей в нее водой. В химии так называется гель. В химии приводится его определение: «Гель – это такая дисперсная система с дисперсионной средой, в которой частицы фазы формируют пространственную структурную сетку. Таким образом, дисперсионная среда и дисперсная фаза меняются своими ролями. Фаза становится непрерывной, а частицы среды – изолированными» (сайт Сайт fb.ru›article/440137/chto-takoe-gel…geley…i…). Если бы ионы калия не были бы изолированными, то почти при равенстве концентраций натрия в интерстиции и калия в гиалоплазме [3, с. 31 Таблица 2.] необходимой разности потенциалов достичь бы не удалось. Так как и натрий и калий одновалентные элементы.
Термодинамически все гидрофобные золи неустойчивы [20, с. 303]. Следовательно, в спокойном состоянии ионы натрия приобретают гидратную оболочку, которая экранирует их и они в это время фактически остаются пассивными.
Натрий и калий в ионизированном состоянии не отличаются друг от друга по валентности и числу создаваемых ими координационных связей, но существенно отличаются по величине предельной температуры, то есть той температуры, выше которой разрешена их гидратация (Сайт studopedia.ru›20_64312_ionniy-gomeostaz-…)
Для натрия она составляет +20°С, а для калия +70°С. Таким образом, по крайней мере в диапазоне температур выше +20°С, в котором функционируют большинство живых организмов, натрий легко взаимодействует с молекулами воды, образуя гидратную оболочку, а калий отталкивает воду. Таким образом, ион калия по своим свойствам является более гидрофобным, чем ион натрия. Ионов натрия в гиалоплазме 50 ммоль на литр [3, с. 31 Таблица 2.].
Принцип действия источника питания регенерации ПД
Как только потенциал действия достигает перехвата Ранвье, то возникает сила притяжения с анионами зарядов противоположных знаков на основании закона Кулона. Естественно, при движении анионы могут сталкиваться с многообразием частиц раствора, в том числе и с гидратированными ионами натрия, а они термодинамически неустойчивые и, поэтому, гидратные оболочки на ионах разрушаются.
Коагулирующее действие оказывает не весь электролит, а его ион, заряд которого по знаку противоположен заряду коллоидной частицы. [20, с. 304].
Это явление в значительной степени увеличивает число движущих частичек в растворе. Причем ионы натрия начнут двигаться навстречу анионам. Встречное движение анионов и катионов приводит при их столкновении к возникновению реакций по закону Ньютона, направленных в различные стороны в зависимости от угла их встречного направления и формирует хаотическое движение всех растворенных частиц раствора. Это обеспечивает увеличение вероятности столкновений катионов и анионов с агрегатированными молекулами глюкозы и кислорода и, естественно, их соударения между собой. Конечно, первыми начнут разрушаться оболочки сформированные слабыми силами Ванн дер Ваальса. И только после этого начнут возникать реакции окисления глюкозы, обуславливая увеличение тепловой энергии в окружающих элементах раствора. В этот период к увеличивающейся электрической энергии по закону Кулона, присоединяется действие тепловой энергии, вызывая нагрев и увеличения объемов всех компонентов раствора содержимого цитоплазы клетки, обусловливая снижение прочности оболочек водородного и более сильных взаимодействий, в том числе и у кислорода и глюкозы.!!!
Далее, благодаря цепочке причинно-следственной зависимости, состоящей из увеличения пришедшего ПД, и связанной с этим силы Кулона и, как очередного следствия с этим увеличения степени соударений участвующих частиц раствора начнут разрушаться оболочки, сформированные и сильными связями, выражающиеся во взаимодействиях формирования ионного, полярного, ковалентного и в их числе донорно-акценторного типов связи. И, так до полного использования запасов кислорода и глюкозы.
Пример механизма явления многократного перехода энергии
( из электрической энергии в кинетическую, химическую, тепловую и разницы давления между окружающей и внутренней средами)
Таким образом, продемонстрирован пример механизма явления в соответствии с предлагаемой формулировкой явлений в химических процессах. Механизм явления это «совокупность состояний и процессов, связанных между собой причинно следственными зависимостями (связями) на основе закона сохранения энергии, из которых складывается какое-либо физическое, химическое, физиологическое, психологическое и т.п. явление» (предложение разработчиков).
Пользуясь таким подходом при изложении механизма можно увидеть и недостающие состояния, и недостающие процессы, а так же и те процессы и состояния, которые не имеют отношение к изучаемому вопросу. Кстати довольно легко могут устанавливаться, мягко говоря, и некорректные подходы в исследовательских работах. Вот один из них: «Принципиальным отличием термодинамических процессов в биологической системе является отсутствие промежуточного звена (в форме тепловой энергии) между химической энергией, запасенной в пище, и работой, совершаемой организмом. Энергия химических связей пищевых продуктов непосредственно (без преобразования в тепло) превращается в разные формы работы биологической системы. При этом образуется и тепловая энергия, но она представляет собой неизбежные энергетические потери [4, с. 209].
Противопоставить этому заключению можно положения Дюбуа Реймона. Вот как изложил это А. Л. Чижевский. «Со времени Дюбуа-Реймона мы твердо знаем, что в живом организме, будь то растение, животное или человек, «не действуют никакие такие силы, которые не могли бы наблюдаться и вне организма», т. е. что биологические явления суть следствия действия физико-химических явлений» [21, с. с. 671, 672].
В свое время по лучению обнадеживающих положительных результатов применения электрообезболивателя постоянного тока [22; 23] (в том числе и на детях) был разработан с получением разрешения применения минздрава на людях и запущен в производство «Автоматический электрообезболиватель ИНААН – 3» [24; 25].
Разработка была выполнена на высоком научно техническом уровне. Она защищена двумя свидетельствами на изобретения. Способа обезболивания [26] и Устройства обезболивания [27]. Кроме того на новый способ обезболивания и устройство получено пять патентов наиболее развитых стран США [28], Англии [29], Франции [30], Канады [31], Швейцарии [32].
Немного о современном состоянии физиологии
Сопоставляя современные публикации по возбуждению и транспортировке потенциалов действия можно установить, что целый ряд процессов, экспериментально установленных в современной физиологии, просто напросто упущены. Например, на сайте studopedia.org›11-92869.html, не упоминаются процессы выделения тепловой энергии [3, с. 86]. Также не упоминается процесс пропорциональной зависимости выделения тепловой энергии в зависимости от интенсивности функционирования нервного волокна [3, с. 90], потребления кислорода и выделения углекислоты [3, с. 90; 16, с. с. 21, 22].
Странно, что перечисленные упущения и такие процессы как зависимости перемещения вещества от разности колебания давлений по обе стороны мембраны [7, с. 71] не меняют приверженности и у современных ученых к градиентам, являющимся скоростью [9, с. 537], а не энергией (сайт studopedia.org›11-92869.html).
Не могут не настораживать исследования Накаима и Курода результатов замещения обычной воды на тяжелую в растворе, омывающем механочувствительные рецепторы которые показали, что такая замена влечет за собой уменьшение амплитуды генераторного потенциала рецепторного нейрона до уровня 34% от контрольного значения. Особенно интригует тот факт, что ни одно их многих испробованных лекарственных веществ не дало заметного влияния нa величину генераторного потенциала [33, с.167].
Что же касается всего организма в целом, то о путях и методах решения этих проблем уже было опубликовано в 1716 году при Петре первом в воинском уставе Русской Армии. Кроме того более подробно изложено в журнале ЛиК [34].
В заключение можно с удовлетворением сказать, что, наконец, получено достаточно корректное объяснение нюансов функционирования нервных компонентов при формировании потенциала действия от срабатывания индивидуального источника питания для каждой нервной клетки и перехвата Ранвье и кончая приходом потенциала действия к очередному перехвату Ранвье и его регенерации. Это позволит более осмысленно воспринимать проблемы связанные со здоровьем и успешнее проводить научные исследования.
Использованная литература
1.»Большой толковый словарь русского языка», под редакцией С.А. Кузнецова, РАН, Институт лингвистических исследований, издательство «Норинт», Санкт – Петербург,
2. Советский энциклопедический словарь. /Главный редактор А. М. Прохоров. Советская энциклопедия. — 1989.
3. Ходжкин А., «Нервный импульс», М., «МИР», 1965 г
4. Самойлов В. О., «Медицинская биофизика», учебник для вузов, 2-е издание, исправленное и дополненное, Санкт — Петербург, СпецЛит, 2007 г
5. Воронцов Д. С., «Общая электрофизиология», М., «Медгиз», 1961
6. Лайтфут Э., “Явления переноса в живых системах”, М., “Мир”, 1977
7. Поликар А., «Молекулярная цитология мембранных систем животной клетки», М., издательство «МИР», 1972 г
8. «Медицинская биофизика», учебник, под редакцией профессора В.О. Самойлова, Военно-медицинская ордена Ленина краснознаменная академия им. С.М. Кирова, Л., 1986
9. Бессонов Л. А., «Теоретические основы электротехники», М., “Высшая школа”, 1964 г.
10. Перышкин А.В., Родина Н. А., «Физика», учебник для 6-7 классов, М., «Просвещение», 1986
11. Поликар А., «Поверхность клетки и ее микросреда», М., «Мир», 1975
12. Синюков В.В., “Вода известная и неизвестная”, “Знание”, М., 1987
13. Хванг С.-Т., Каммермейер К., «Мембранные процессы разделения», М., «Химия», 1981
14. Ставицкий А.И., Никитин А.Н., «На одном языке с природой», Санкт-Петербург, издательство «ИНТАН», 1997
15. Воронцов Д. С., «Общая электрофизиология», М., «Медгиз», 1961 г.
16. Брейзье М., «Электрическая активность нервной системы», М., «Издательство иностранной литературы», 1956
17. С. Дейч, «Модели нервной системы», М., «МИР», 1970 г.
18. Несмеянов Н.А., Несмеянов И.А., Несмеянов А.А., Ивченко Б.П., «Свойство клеточных структур перемещать растворы окружающей среды», Диплом на открытие № 316, «Научные открытия, идеи, гипотезы» (1992 – 2007). Информационно-аналитический обзор, М., 2008 г.
19. Несмеянов Н.А., Неразрушающий метод определения диаметра нервного волокна. //Сборник Международного Конгресса, «Слабые и Сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине». СПб: 1997.
20. Зайцев О.С. Химия. Современный краткий курс. — М.: Агар. – 1997
21. Чижевский А.Л., “Космический пульс жизни: Земля в объятиях Солнца. Гелиотараксия”. — М.: “Мысль”, 1995 г
22. Н. А. Несмеянов, И. А. Несмеянов, А. А. Несмеянов, и др. «Электрический зубной обезболиватель с повышенной стабилизацией рабочего тока», // «Медицинская техника» № 2, 1976 с. 44-46
23. N. A. Nesmeyanov, I. A. Nesmeyanov, A. A. Nesmeyanov, V. I. Bundin. «Anelectric dental pain reliever with increased. stabilization of the working current». Biomedical Engineering, vol. 10, no. 2, New York, 1976. p. 107 – 108
24. Н.А. Несмеянов, И. А. Несмеянов, А. А. Несмеянов. Инструкция по применению аппарата «Электрообезболиватель стоматологический автоматический ИНААН – 3» (по Н. А. Несмеянову, И. А. Несмеянову, А. А. Несмеянову). Издательство МЗ СССР, М., 1981, с. 1-3
25. Н. А. Несмеянов, И. А. Несмеянов, А. А. Несмеянов, ВМЖ, № 3, 1982
26. Н. А. Несмеянов, И. А. Несмеянов, А. А. Несмеянов. Изобретение «Способ обезболивания зубов». Авторское свидетельство №606587 по заявке №2152804/13 (086212) от 25 07 75. Бюллетень Открытия, изобретения, промышленные образцы, товарные знаки Госкомитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий, №18, 1978.
27. Н. А. Несмеянов, И. А. Несмеянов, А. А. Несмеянов. Изобретение «Устройство для обезболивания зубов». Авторское свидетельство № 606587 по заявке № 2152803/13 (086211) от 25 07 75. Бюллетень Открытия, изобретения, промышленные образцы, товарные знаки Госкомитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий, №18, 1978
28. Несмеянов Н. А., Несмеянов И. А., Несмеянов А. А., патент США № 4109660, «Method of tooth anesthetizing during dental treatment and devile for effecting same». 1978
29. 29. Несмеянов Н. А., Несмеянов И. А., Несмеянов А. А., патент Англии № 1546040, «Dental electro-anasthesia apparatus», 1979.
30. 30. Несмеянов Н. А., Несмеянов И. А., Несмеянов А. А., патент Франции № 2380 768, «Dispositif pour ianesthesie electriqne dune dent an cours de son traitement», 1979.
31. Несмеянов Н. А. Несмеянов И. А., Несмеянов А. А., патент Канады № 1096448, «Device for electrically anasthetizing toos during dental treatment», 1981.
32. Несмеянов Н. А., Несмеянов И. А., Несмеянов А. А., патент Швейцарии № 628801, «Einrichtung zur electrischen Anastesie eines Zahnes», 1982.
33. Лобышев В.Н., Калиниченко Л.Л., «Изотопные эффекты D2O в ологических системах». «Наука», М. 1978 г
34. Несмеянов Н.А. О хлебе и воде. Взаимосвязь состояния здоровья и технологических приемов подготовки продуктов питания. // Личность и культура. 2014. №1.
Оглавление
Предисловие………………………………………………………………..5
Начало использования градиента в физиологии ………………………..6
Физический смысл понятия градиента ………………………………..… 8
Отношение А. Поликара и В. Самойлова к проблемам физиологии..….9
Подобное из истории в сравнении …………..…………………..………10
Обнадеживающие результаты исследователей и об упущениях теоретиков……………………………………………..…………………..12
О принципе действия источника питания при формировании ПД……15
Об энергетическом барьере в химических реакциях и об
их преодолении………………………………………………………………………………16
Принцип действия источника питания регенерации ПД …..……….….18
Пример механизма явления многократного перехода энергии…………19
Немного о современном состоянии физиологии …….…………………20
Использованная литература……………..……………………………………..22
Иллюстрация: ppt-online.org
