Реферат: Как в клетке возникает разность потенциалов
Главная задача состояла в том, чтобы выяснить, какие вещества и как быстро могут проникать в клетку. Представим себе, что растительную клетку поместили в концентрированный раствор какого-то вещества. Если это вещество не проникает в клетку, то за счет осмоса вода начнет выходить из клетки наружу и клетка должна уменьшить объем, сжаться. Но изучение осмоса показало, что видимая в микроскоп клеточная оболочка вовсе не сжимается, она ведет себя как прочный жесткий каркас, а вот объем внутреннего содержимого клетки меняется по законам осмоса. Отсюда немецким ботаником В. Пфеффером был сделан вывод, имеющий чрезвычайно важное значение для развития биологии. Он предположил, что на поверхности растительной клетки под «панцирем» имеется еще одна, невидимая в микроскоп оболочка — клеточная мембрана, которая и играет на самом деле роль полупроницаемой оболочки.
Пфеффер сделал также следующий принципиальный шаг в изучении осмоса — он измерил осмотическое давление. Для этого Пфеффер воспользовался искусственными полупроницаемыми мембранами. Эти непрочные пленки он наносил на пористый глиняный сосуд, который не давал им лопаться от избыточного осмотического давления. Присоединив к такому сосуду ртутный манометр, Пфеффер получил прибор для количественного измерения осмотического давления — осмометр. Измеряя это давление для разных растворов, он обнаружил, что для каждого раствора оно прямо пропорционально концентрации растворенного вещества, не проходящего через мембрану. Но почему для разных растворов при одной и той же концентрации получаются разные давления, ботаник Пфеффер догадаться не сумел.
Мы уже говорили с вами о тесной взаимосвязи разных наук. В большинстве случаев, о которых речь шла выше, физика помогала биологии, подготавливала ее развитие. Однако, как говорится, долг платежом красен. Без работ Гальвани не был бы так быстро открыт электрический ток, без открытия ботаника Броуна медленнее развивалась бы молекулярно-кинетическая теория, а без работ ботаника Пфеффера... Но об этом мы сейчас и расскажем.
В 70-х годах прошлого века молодой голландский ботаник X. Де Фриз занимается влиянием осмоса на изменение объема клеток растений в растворах разной концентрации.
В 1894 г. Де Фриз рассказал о работах Пфеффера по осмотическому давлению молодому химику Я. Вант Гоффу. Экспериментальные данные Пфеффера оказались для Вант-Гоффа тем же, чем данные Тихо де Браге для Кеплера. Внимательно рассмотрев эти данные, Вант-Гофф увидел, что осмотическое давление в разных растворах получается одинаковым, если измерять концентрацию не в граммах на литр, а в молях, т. е. существенной является не масса, а число молекул растворенного вещества. Естественно считать, что молекулы растворенного вещества ведут себя как молекулы идеального газа. Таким образом, для выражения осмотического давления можно использовать уравнение Менделеева—Клапейрона
гдеm— масса растворенного вещества,i— масса моля, Л — газовая постоянная, Т — температура, V — объем. За теорию растворов Вант-Гофф через 15 лет получит Нобелевскую премию по химии. Вот какой важный вклад в науку внес Де Фриз, поговорив с Вант-Гоффом.
Теория Вант-Гоффа прекрасно выполнялась для растворов многих веществ, например для сахарозы, для водного раствора С02 . Но для некоторых веществ осмотическое давление оказывалось больше расчетного, и не на какие-нибудь 10—15%, а вдвое! Погрешность составляла 100%. Вряд ли такую погрешность можно объяснить неточностью измерений.
Обдумывание возможных причин этого расхождения привело к важнейшему открытию. Единомышленник Вант-Гоффа шведский ученый С. Аррениус догадался, что если, например, для поваренной соли давление оказывается вдвое больше расчетного, то значит, в растворе вдвое больше частиц, чем молекул NaCl, т. е. молекула NaCl в воде распадается на две частицы: Na и Cl. Из сопоставления этого факта с другими Аррениуе пришел к идее электролитической диссоциации, к идее, что частицы, на которые распадаются многие вещества, и есть те самые ионы — носители электрических зарядов, с помощью которых еще Фарадей объяснял законы электролиза.
До Аррениуса считалось, что ионы возникают под действием электрического тока, но их участие в явлении осмоса показало, что это не так: ионы предсуществуют в растворе! Уже в самом растворе без действия тока имеются и движутся заряженные атомы и молекулы.
Так изучение осмоса привело к открытию двух главных «виновников» возникновения «животного электричества» — клеточных мембран и ионов; но об их роли пока еще никто не догадывался.
Горячо! Совсем горячо!
В 1887 г. вышли статьи Вант-Гоффа и Аррениуса в первом номере «Журнала физической химии», основанного В. Оствальдом. Все вокруг говорили о новом подходе к химии, о доказательстве существования ионов.
А в Берлине в этом году окончил университет 23-летний В. Нернст. Он станет знаменитым физиком и химиком, откроет третье начало термодинамики, получит Нобелевскую премию по химии и сменит М. Планка на посту директора Института физики в Берлине. А пока он скромный ассистент Оствальда, хотя и не новичок в науке. Работая как экспериментатор, он уже успел открыть новое явление: возникновение электрического поля в телах, в которых создан градиент температуры, если их поместить в магнитное поле. Теперь он занялся диссертацией и взялся за теоретическую работу о гальванических элементах. Конечно, до него такой теорией занимались великие умы: У. Томсон, Гиббс, Гельмгольц. Но ведь тогда не знали о ионах! Нернст решил рассмотреть связь э.д.с. гальванических элементов с диффузией ионов.
В 1889 г. его диссертация была готова и опубликована. В ней, в частности, была развита идея Вольта о том, что электрические явления могут возникать при соприкосновении двух разных жидкостей.
Что такое Нернстовский потенциал
Пусть в какой-то части сосуда находится электролит, а в другой — чистый растворитель. Как будет идти диффузия соли? Положительно и отрицательно заряженные ионы имеют разную массу, по-разному взаимодействуют с водой, следовательно, движутся в жидкости с разными скоростями. Пусть отрицательные ионы хлора движутся быстрее и при диффузии «убегают» вперед от катионов — возникает «расслаивание» отрицательных и положительных ионов. Это расслаивание вызывает появление в растворе электрического поля, которое будет тормозить убежавшие вперед анионы и подгонять отставшие катионы, выравнивая скорости их диффузии.
Естественно, Нернст в своей диссертации не ограничился таким качественным описанием, а как настоящий физик вывел формулу для диффузионного потенциала Уд , возникающего на границе контакта двух растворов с концентрациями электролита С1 и С2 :
где и — скорость более быстрого иона, и — скорость более медленного иона, F — газовая постоянная, Р — число Фарадея, Т — температура.
Эта формула давала возможность подвергнуть прямой количественной проверке гипотезу Германа, согласно которой биопотенциалы возникают на границе двух участков протоплазмы — нормального и поврежденного, и через семь лет такую проверку предпримет замечательный русский ученый Василий Юрьевич Чаговец. Это будет первая работа по применению точных количественных методов к исследованию биопотенциалов.
Когда была опубликована диссертация Нернста, Чаговец еще учился в киевской гимназии. В 1892 г. он поступил в Петербургскую военно-медицинскую академию. Лабораторией физиологии там руководил И. Р. Тарханов — ученик Сеченова. Тарханов предложил студенту третьего курса Чаговцу заняться изучением электрических явлений в нерве лягушки, точно так же, как за 50 лет до того И. Мюллер предложил сходную тему студенту третьего курса Дюбуа-Реймону.
Чаговец, конечно, предпочитал гипотезу Германа фантастическим электромоторным молекулам Дюбуа. Но и гипотеза Германа была слишком абстрактной. Она говорила о каких-то реакциях в протоплазме, о каких-то молекулах, границах... И Чаговец развивает конкретный вариант теории повреждения, впервые объясняя возникновение биопотенциалов диффузией ионов.
Но какое же конкретное вещество создает потенциал повреждения?
Как видно из формулы, желательно, чтобы анионы и катионы вещества имели разную подвижность, а также, чтобы его концентрация в месте разреза сильно отличалась от концентрации в неповрежденном участке. Чаговец решил, что это вещество — угольная кислота. Он рассуждал так: разрез, как всякое раздражение, усиливает обмен веществ, а значит и выделение С02 . На основании данных, полученных еще Л. Германом, Чаговец принял, что концентрация угольной кислоты в месте разреза увеличивается в 6,5 раз. Разность скоростей ионов Н+ и СОз_ давала для первого сомножителя формулы значение 0,8. Чаговец произвел расчет потенциала повреждения мышцы при комнатной температуре, получилось примерно 35 мВ. На самом деле потенциал повреждения мышцы составлял 50—60 мВ. Разница была не слишком велика, но все же вполне ощутима.
Работа Чаговца под названием «О применении теории диссоциации Аррениуса к электрическим явлениям на живых тканях» вышла в 1896 г., а на следующий год ее краткое изложение было опубликовано в «Журнале физической химии» Оствальда. В своей работе Чаговец пытался объяснить расхождение результатов расчета с экспериментом тем, что концентрация угольной кислоты при разрезе может быть выше, чем при утомлении мышцы. Но это предположение было опровергнуто прямыми экспериментами: например, нейтрализация угольной кислоты щелочью практически не меняет потенциала повреждения.
Чаговец остановил свое внимание на угольной кислоте не только потому, что знал о возникновении разности ее концентрации при работе мышцы, а еще и потому, что при ее диссоциации возникает ион водорода — самый быстрый из всех ионов. Скорости наиболее распространенных ионов примерно одинаковы, так что первый сомножитель в формуле для них вместо 0,8 будет 0,01—0,2, и в результате получатся значения разности потенциалов,, еще более далекие от реальных. Придумывать же какие-то фантастические ионы было совсем не в духе Чаговца. На первый взгляд, идея диффузии ионов как основы биопотенциалов зашла в тупик. Однако, хотя конкретный вариант теории биопотенциалов, предложенный Чаговцем, оказался ошибочным, основная идея Чаговца оказалась совершенно верной; Чаговец был очень близок к решению загадки.
Загадка решена
Еще в 1890 г. Вильгельм Оствальд, который продолжал заниматься полупроницаемыми искусственными пленками, предположил, что полупроницаемость может вызывать не только осмос, но и электрические явления. Осмос возникает тогда, когда пленка пропускает маленькие молекулы воды1 но не пропускает большие молекулы сахара. Но ведь и ионы могут иметь разные размеры! Тогда мембрана будет пропускать ионы только одного знака, например, положительные. Оствальд прямо показал, что на искусственных мембранах могут возникать заметно большие разности потенциалов, чем при свободной диффузии ионов на границе растворов с разной концентрацией. И не требуется быстрый ион водорода: годится любой ион, который умеет проходить через мембрану и имеет разные концентрации по разные ее стороны.
Действительно, если посмотреть на формулу и предположить, что мембрана для анионов непроницаема, т. е. V = 0, то можно видеть, что должны получаться большие значения для диффузионного потенциала: