2. Слабое звено мембранно-ионной теории нервного импульса.
В настоящее время в медицине и биологии прочно утвердилась Na+-K+ - ионная концепция нарвного импульса, которая, к сожалению, не может объяснить ни одной из известных функций нервной системы. Именно поэтому исследователи вынуждены «изобретать» так называемые «энергетические станции» в виде митохондрий. Сама же ионная «теория» разработана без учёта физических закономерностей, действующих как в неживой, так и в живой природе, при допущении отдельных элементов произвола в трактовке результатов ряда экспериментов, процессов и явлений.
Основателей мембранной теории биопотенциалов считается Ю.Барнштейн, опубликовавший свою гипотезу в 1902 году (4). В последующие годы на базе мембранной гипотезы выдвинута натриевая гипотеза потенциала действия, авторами которой явились Ходжкин и его сотрудник Хаксли (5).
«...В конце 40-х — начале 50-х годов натриевая гипотеза превращается в стройную, экспериментально доказанную и логически безупречную натриевую теорию», (6) — так на сегодняшний день оценивают результаты развития мембранной концепции нервного импульса её последователи и сторонники.
Однако имеют место и более скромные оценки этой «теории» со стороны ведущих специалистов-нейрофизиологов. Так, например:
«Если глубже рассматривать многие ещё не получившие ответов вопросы относительно нервных сигналов, то они, оказывается, связаны с тонкой структурой и функцией нейронной мембраны, потому что на молекулярном уровне точно ещё не известно, как ионы проходят через мембраны, или как влияют изменения потенциала и медиаторы на проницаемость для отдельных ионов» (7);
«...Что касается канальных белков, то имеется ещё много нерешённых вопросов, касающихся механизма открывания, избирательности и регуляции... Основы регуляции каналов меньше всего изучены...» (6);
«...Ионные каналы являются для нас «чёрными ящиками», структуру которых мы пытаемся разгадать, трактуя измеренные ионные проницаемости с помощью правил, в применении которых сами не уверены» (9);
«...Какую роль играют дендриты в работе нервных клеток — до сих пор окончательно не решено» (6). И другие.
Чтобы оценить, насколько «безупречна» Na+-K+ - ионная теория нервного импульса с точки зрения физических закономерностей природы, напомним основные положения этой теории и некоторые экспериментальные данные ведущих специалистов в этой области.
1. «...Первым большим вкладом явилось представление о нервной системе как о совокупности отдельных обособленных клеток, которые сообщаются друг с другом с помощью синапсов» (7).
2. «Весь нейрон — его тело, длинный аксон и ветвящиеся дендриты — поляризован таким образом, что внутри он заряжен отрицательно приблизительно на -70 мВ по отношению к наружной поверхности. Этот «потенциал покоя» создаётся двумя свойствами клеточной мембраны. Во-первых, мембрана активно переносит ионы, выводя из клетки положительно заряженные ионы натрия и пропуская внутрь положительно заряженные ионы калия, вследствии чего концентрация этих двух видов ионов внутри клетки и снаружи совершенно различна» (7).
3. «Если мембрана деполяризована, её потенциал снижен до критического уровня — от уровня покоя, равного -70 мВ, до приблизительно 50 мВ, то наступает внезапное, резкое изменение: на время снимается существующее препятстсвие току ионов ионов калия и натрия и возникает локальный поток ионов, достаточный для того, чтобы изменить знак мембранного потенциала, который становится положительным внутри и достигает 50 мВ, а затем полярность снова меняется и восстанавливается нормальный потенциал покоя. Всё это занимает около тысячной доли секунды» (7).
4. «Резкий скачок потенциала сначала в положительную, а затем в отрицательную сторону, который выглядит на экране осциллографа как пик («Спайк»), известен под названием потенциала действия и является электрическим выражением нервного импульса. Волна изменения потенциала стремительно проносится по аксону до самого его конца во многом подобно тому, как бежит пламя по бикфордову шнуру» (8).
5. «Сигналы бывают двоякими — электрическими и химическими. Сигнал, генерируемый нейроном и проводимый по его аксону, представляет собой электрический импульс, но от клетки к клетке он передаётся молекулами передатчиков, медиаторов...» (7).
6. «Насосы расходуют метаболическую энергию для перемещения ионов и молекул против концентрационных градиентов и поддерживают необходимые концентрации этих молекул в клетке» (8).
7. «Работа ионных насосов управляется концентрацией ионов внутри клетки и вне её» (6).
8. «Все нервные импульсы имеют одну и ту же амплитуду, так что информация, которую они несут, представлена числом импульсов, генерируемых в е6диницу времени: такой способ кодирования известен под названием частотного кодирования. Чем больше величина сигнала, который должен быть передан, тем выше частота разряда» (8).
9. «Мембрана нейрона, как и наружная мембрана любой клетки, имеет в толщину около 5 нм и состоит из двух слоёв липидных молекул...» (8).
10. «Особенно поразительны различия в концентрациях ионов натрия и калия. Наружная среда приблизительно в 10 раз богаче натрием, чем внутренняя, а внутренняя среда примерно в 10 раз богаче калием, чем наружная...Наружная среда приблизительно в 10 раз богаче ионами натрия, чем калия; во внутриклеточной среде соотношение ионов обратное» (8).
11. «Типичный мелкий нейрон имеет, по-видимому, порядка миллиона натриевых насосов, способных перемещать около 200 миллионов ионов натрия в секунду. Именно трансмембранные градиенты натрия и калия обеспечивают возможность проведения по нейрону нервного импульса» (8).
12. «Параметры, характеризующие вещество мембраны и протоплазмы: удельное сопротивление мембраны, которое обычно равно 1-10 кОм/см2, её удельная ёмкость, обычно равна 1 мкФ/см2, и, наконец, удельное сопротивление протоплазмы, которое равно примерно 100 Ом/см2. Эти параметры, естественно, не зависят от формы и размера клетки» (6).
13. «Трансмембранная разность потенциалов в 70 мВ создаёт внутри покоящейся мембраны сильное электрическое поле порядка 100 кВ/см» (8). И пр.
Приведённые экспериментальные и производные данные позволяют произвести некоторые количественные оценки:
Из курса физики известно, что количество электричества Q, составляющее заряд емкости – C, связано с разностью потенциалов V пластин соотношением Q = C*V (21).
Используя данное соотношение и п.п. 2 и 12, определим количество элементарных зарядов e+ (катионов) наружной поверхности мембраны, определяющих внутренний потенциал покоя 70 мВ, как полагает теория:
Qп п = C*Vп п = 10-6* 0,07 = 7*10-8 кулона/см2; или
Qп п = 7*10-8 * (1,3*1019) = 9,1*1011 e+/см2 (1).
Для раздельного подсчёт катионов натрия и калия обозначим:
ХН – количество катионов калия снаружи мембраны:
ХВ – количество катионов калия с внутренней стороны;
УН – количество катионов натрия снаружи мембраны;
УВ – количество катионов натрия с внутренней стороны.
В соответствии с п.10 составим равенства:
ХВ = 10* ХН
УН = 10* УВ
УН = 10* ХН
Ввиду того, что найденное количество катионов (1) составляет разность между наружным и внутренним, можно написать:
Qп п = (ХН + УН) – (ХВ + УВ) = 9,1*1011 е+/см2;
или, делая замену:
Qп п = (ХН + 10* ХН) – (10* ХН + ХН) = 0
Как видим, данные ионной «теории» не подтверждают саму «теорию». Если же принять во внимание данные других авторов, например (6), то имеем:
ХВ = 40* ХН
ХВ = 10* УВ
УН = 50* ХН
При этом:
(ХН + 50* ХН) - (40* ХН + 4*ХН) = 7 *ХН = 7*10-8 кулона/см2
ХН = 10-8 кулона/см2 = 1,3*1011 е+/см2
ХВ = 4*10-7 кулона/см2 = 5,2*1012 е+/см2
УН = 5*10-7 кулона/см2 = 6,5*1012 е+/см2
УВ = 4*10-8 кулона/см2 = 5,2*1011 е+/см2.
Суммарное количество электричества на внутренней поверхности мембраны:
ХВ + УВ = 4*10-7 + 4*10-8 = 4,4*10-7 кулона/см2,
что составляет потенциал
VП.В. = QП.В./С = (4,4*10-7) / 10-6 = + 440 мВ,
а не -70, как утверждает ионная теория.
Наружный же потенциал при этом
VП.Н. = VП.В. + 70 = + 510 мВ.
Чтобы сформировать потенциал действия VП.Д. , разность потенциалов между поверхностями мембраны должна измениться на 120 мВ. Это эквивалентно изменению разности зарядов:
QП.Д.В. = 10-6 * 0,12 = 12*10-8 кулона/см2 = 12*10-8 * ( 1,3*1019) = 15,6*1011 е+/см2.
Для достижения этой разности достаточно переместить снаружи вовнутрь половину этих зарядов.
Приведённые расчёты показывают, что при формировании потенциала действия вопреки «теории» необходимо перемещать не 200 миллионов ионов в одну секунду (см.п.11), а не менее 7*1011 ионов через 1 см2 мембраны, и не за одну секунду, а при частоте в несколько сот импульсов в секунду (см.п.3 и п.7), в сотни тысяч раз быстрее.
Проведённые сравнительные расчёты, выявляющие несоответствие количественных показателей теоретическим выводам, не могут подтвердить «ни безупречности, ни стройности натриевой теории» нервного импульса.
Анализ основных теоретических положений этой «теории» с позиций физической науки позволяет сделать выводы:
Поскольку с точки зрения ионной «теории» потенциал действия формируется путём перемещения положительно заряженных ионов натрия и калия без учёта отрицательных зарядов, считать отрицательным потенциал покоя ( 70 мВ ) не правомерно: из положительных зарядов можно сформировать только положительные потенциалы, разнящиеся по величине. Не правомерно обозначение с одной стороны мембраны минус ( - ), а с другой – плюс (+) при графическом представлении механизма формирования потенциала действия. Подобный приём скрывает в себе элементы самообмана, влекущие за собой ложные выводы.
Логически несовместимы два понятия: импульс и «волна изменения потенциала». Импульс и волна – разные физические понятия.
Не правомерна идентификация понятий «поляризация» и «заряд ёмкости». Поляризуются только диэлектрики (изоляторы), находящиеся в электрическом поле, а через мембрану – как гласит ионная теория – текут ионные токи. Накопление же по обе стороны мембраны ионов – это заряд ёмкости, которую представляет из себя мембрана в момент закрытых каналов.
Ионная «теория» пытается объяснить, как происходит замена одних ионов на другие через мембрану нейрона, но как осуществляется при этом известные функции нервной системы – умалчивает. Этот вопрос для ионной «теории» является непосильным.
Объяснение механизма замены ионов через мембрану научно не обосновано - носит характер произвольных допущений и суждений.
«Теория» не в состоянии ответить на такие вопросы, как: каким образом сигнал передаётся химическим путём при помощи медиатора; чем детерминируется постоянство амплитуды сигнала; каким образом кодируется и меняется частота импульсов в нейронах-передатчиках и другие.
Замена одних положительно заряженных ионов на другие положительно заряженные ионы в замкнутом объёме замены не изменяет суммарного количества ионов, т.е. потенциал, а следовательно ни о каком импульсе не может быть и речи и, соответственно, - ни о какой «волне изменения потенциала, стремительно проносящейся по аксону до самого его конца».
Самым слабым звеном ионной «теории» потенциала действия является основание, на котором она построена: рассматривая нервные структуры аналогом раствора, она исключает из рассмотрения не только электроны, но и ионы, несущие отрицательный заряд. Вместе с этим она постулирует (п.7): «Работа ионных насосов управляется концентрацией ионов внутри клетки и вне её.» Очевидно, авторам этого постулата и всей «теории» не известен закон Кулона, который гласит, что одноимённые электрические заряды отталкиваются с силой, пропорциональной произведению этих зарядов и обратнопропорциональной квадрату расстояния между ними. Несмотря на значительную величину зарядов и колоссальную напряжённость электрического поля, создаваемую ими (~ 100 кВ/см – п.13), обусловливающую отталкивающие силы, способные даже травмировать организм, авторы считают возможным и притом «безупречно» - движение одноимённо заряженных ионов навстречу друг другу без компенсации Кулоновских сил отталкивания. Для сравнения напомним, что критическая напряжённость электрического поля, при которой происходит грозовой разряд, в зависимости от состояния атмосферы, колеблется в пределах 2-4 кВ/см (21).
Слабое звено, а точнее – несостоятельность мембранно-ионной теории нервного импульса определяется тем, что эта «теория» «придумана» без учёта физических закономерностей, действующих как в неживой, так и в живой материи и, более того, являющихся основой зарождения и развития самой жизни; «придумана» в процессе произвольного истолкования результатов экспериментальных исследований, а сами эксперименты проводились, в основном, при неживом макетировании, без учёта тех обстоятельств, что «труп не может рассказать о жизни», так как жизнь многоклеточного организма является следствием организующей, регулирующей и связующей функций нервной системы. Нервный же импульс является атрибутом жизни, её «душой». Организм живёт и функционирует постольку, поскольку функционирует нервная система. С прекращением нервной деятельности организм становится трупом. Не учитывать эти обстоятельства равнозначно поиску с закрытыми глазами иголки в стоге сена, причём, не в том, в котором она находится.
