МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ ИМПУЛЬСА БИОТОКА КЛЕТКАМИ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ

Электрические процессы в Природе, как никакие другие явления, всё в большей степени помогают человечеству познать не только окружающий мир, но и самого себя. Сущность этих процессов в живых организмах пока еще далека от требуемого уровня понимания. Биоэлектромагнетизм – это научно-прикладная область электродинамики биоорганизмов (БО), включающая как частные разделы биоэлектростатику и биомагнитостатику. Всё более необходимым становится решение проблемы о процессах в органах чувств с целью управления и регулирования ими. Сущность этих процессов в живых организмах пока ещё очень далека от требуемого уровня понимания. Нерешённой проблемой живой клетки остаётся механизм проницаемости мембраны для катионов.

Рассмотрим возможный процесс образования импульса биотока клетками живого орга­низма, исследуя процесс обоняния живых организмов [1]. Под действием кванта электромаг­нитного излучения, образующегося при рекомбинации радикалов пахучих веществ на по­верхности клеток рецепторной ткани, ионы К⁺ и Nа⁺, находящиеся как внутри клетки, так и вне её, начинают перемещаться через мембрану, причём, чем выше количество квантов и их энергия, тем активнее ведут себя движущиеся ионы. Из-за различных размеров ионов К⁺ и Nа⁺, а также разных величин их подвижностей в электрическом поле, мембрана живой клетки представляет для них разную проницаемость, в результате чего между цитоплазмой клетки и окружающей её средой возникает ещё большая разность в концентрациях ионов, приводящая в конечном итоге к образованию на мембране разности потенциалов U. При этом процессе наиболее эффективное действие рекомбинационного кванта на мембрану должно иметь место в случае резонанса, т.е. когда частота кванта совпадает с собственной частотой колебания мембраны. При частотах квантов, кратных собственной частоте мем­браны, также наблюдаются субрезонансы, эффективность которых много ниже главного. Ре­зонансная частота имеет разное значение для различных типов рецепторных клеток. Таким образом, величина собственной частоты колебаний мембраны (клетки, организма в целом), а также спектр БО может служить своего рода дактилоскопичеким признаком конкретного БО, по которому его можно отличить от других БО при полном внешнем сходстве.

Рекомбинационный квант, усиленный за счёт химических реакций в мембране, подаётся затем в ядро клетки, где находятся гены, которые дают команду в форме потенциала дейст­вия. В зависимости от энергии (частоты) кванта ослабляется действие одних генов, которые в данный момент не актуальны, и усиливается действие других. Если энергия кванта относи­тельно достаточно велика, действующие в данный момент гены дополнительно вводятся из резерва, а в резерв отправляется точно такое же количество не действующих генов. В итоге происходят колоссальные химические перестройки, в результате которых рецепторная ткань формирует градуальный ответ: возбудимая рецепторная ткань на физико-химические раз­дражители даёт электрические сигналы в форме потенциалов действия структурам, которые в будущем могут стать компонентами искусственной интеллектуальной техники.

Проверку предложенного механизма обоняния мы проводили [2] на крупных клетках ги­гантских кальмаров и водоросли Nitella, диаметр клеток у которых достигает 1 мм. Чаще всего биологическая мембрана представляется жидким кристаллом, для которого характерны твердотельные электрофизические свойства по определенным направлениям, связанным с упорядоченностью твёрдых кристаллов, при сохранении подвижности по прочим направле­ниям, что является характерным свойством жидкости. Это означает, что липиды в мембранах находятся при физиологической температуре в расплавленном состоянии. Было установлено, что рецепторные клетки имеют многочисленные поверхностные выросты-антенны (циллии), плазматические мембраны которых содержат белки, специфические для данного вида рецеп­ции. Поведение циллий напоминает своего рода «катализатор» процесса рекомбинации ра­дикалов пахучих веществ, их устройство и участие в процессе рекомбинации определяет па­раметры процесса регистрации запахов органами чувств человека. Так антенны их состоят из так наз. микровилл и являющихся результатами их дифференцировки стереоциллий или ки­ноциллий-ресничек, жгутиков и их производных. Сигнал внешнего воздействия улавливается антеннами, и, взаимодействуя с биоаминами, слабо удерживающих валентные электроны, способствуют усилению окислительно-восстановительных процессов на поверхности рецеп­торной ткани.

Измерения параметров клеток показали, что толщина их мембраны равна l=6–10 нм, электрическая ёмкость С=(0,5–1,3)^.10^–3 Ф/м², диэлектрическая проницаемость липидов клетки e=2–3. Клетки рецепторной ткани реагируют на действие возбуждающего сигнала (рекомбинационных квантов) в интервале частот ν_k от 10^–4 до 10²¹ Гц. При таком воздействии на мембране клетки возникает разность потенциалов U = 50–70 мВ, в мембране образуется равномерное электрическое поле (иначе произойдёт электрический пробой мембраны!) с на­пряжённостью Е = U/l ≈ (5–11)∙10⁶ В/м, причём вектор Е будет направлен внутрь клетки.

Исходя из полученных экспериментальных данных, проведём количественный расчет па­раметров процессов, происходящих на поверхности мембраны клетки. Это тем более необ­ходимо сделать хотя бы потому, что подобные расчеты, основанные на экспериментальных данных, никто никогда не проводил. Из уравнения E = σ/ε_оε, где ε_о–электрическая постоян­ная, найдём поверхностную плотность σ избыточных электрических зарядов на мембране, равную (в зависимости от типа радикалов) σ = ε_оεЕ = (20-700)·10^–8 Кл/м². Если иметь в виду тот факт, что при рекомбинации радикалов связывается один электрический заряд (электрон) с выделением одного кванта энергии [3], то количество актов рекомбинации n_о радикалов, приходящихся на единицу площади рецепторной ткани (плотность потока радикалов, посту­пающих на поверхность ткани), будет находиться в пределах n_о = σ/e = (1,7–44,2)·10¹⁰ м^–2. Здесь е – заряд электрона. Экспериментальные измерения показали, что наилучшая качест­венная восприимчивость поверхности рецепторной ткани имеет место при (1-4)·10⁸ м^–2 актов рекомбинаций. Если количество таких актов будет меньше найденного, человек стремится увеличить количество радикалов, повышая скорость (количество) продуваемого через нос воздуха с запахами («принюхивание»). Таким образом, на основании полученных данных, можно утверждать, что любой запах будет зафиксирован органами обоняния в том случае, если плотность потока рекомбинационных квантов будет находиться в найденных пределах.

Получив сигнал со стороны электрического поля мембраны, содержимое клетки будет действовать в зависимости от содержания полученной информации: она может либо реаги­ровать выделением серотонина или других гормонов в кровь, либо передать информацию непосредственно ближайшей нервной клетке.

Под действием электрического поля мембраны свободные электроны переходят из клетки в окончания нерва (аксоны). В этом случае происходит эстафетная передача сигнала клетками, в результате чего образуется нервный импульс. В нервных волокнах характер рас­пространения возбуждения зависит от наличия или отсутствия в них миелиновых оболочек. В безмякотных волокнах возбуждение распространяется непрерывно вдоль всей мембраны. Все участки мембраны, при этом каждый из них в своё время, становятся возбужденными. Толстые миелиновые оболочки обычно имеют мякотные нервные волокна, которые через 1-3 мм прерываются с образованием перехватов Ранвье, причем каждый предыдущий участок нерва возбуждает последующий. За счёт повышенной концентрации электронов в аксоне создаётся продольное электрическое поле, вызывающее импульс биотока. Он под действием биоаминов, выступающих в роли медиаторов, через синапсы (контактные соединения раз­личных нервов) передаёт информацию в центр её накопления и хранения, расположенный в головном мозге БО. Под влиянием локальных токов волна возбуждения распространяется вдоль волокна нерва без затухания (бездекрементная электропроводность). Это обусловлено тем, что локальные электротоки только деполяризуют мембрану до критического уровня, а потенциал действия в каждом её участке поддерживается независимым ионным потоком, перпендикулярным к направлению распространения. Мозг объединяет индивидуальные по­слания аксонов в единое сообщение и начинает подавать команды после того, как в одном из центров накопится достаточное количество информации. В качестве функциональной еди­ницы коры головного мозга служит мини-колонки – группы из 80–100 нервных клеток, рас­положенных вертикально и связанных отростками между собой. Эти колонки устроены по-разному в левом и правом полушариях мозга.

В механизме передачи информации от рецепторов обоняния к соответствующему центру головного мозга главенствующую роль играет вегетативная или автономная нервная сис­тема, с помощью которой сердечно-сосудистая и другие системы организма человека при­спосабливаются к изменениям в составе запахов во внешней и внутренней средах. Называ­ется она так потому, что симпатический её отдел ведает трофическими (вегетативными) про­цессами обмена и питания тканей внутренних органов. Автономной ее называют в отличие от другой нервной системы, регуляция которой произвольна и зависит от нашего сознания. Регуляция же нервной деятельности внутренних органов и органов чувств человека (и жи­вотных) как бы автономна, т.е. она не зависит от нашего желания. Вегетативная нервная сис­тема, в свою очередь, делится на первый (симпатический) и второй (парасимпатический) от­делы. Центры первого расположены в боковых стойках грудного и поясничного участков спинного мозга, центры второго – в стволе головного мозга и в крестцовом отделе спинного мозга. Вегетативные нервные волокна на пути к органам тела прерываются в узлах; передача нервного импульса от центра к периферии через эти узлы осуществляется благодаря химиче­ским веществам. Передача раздражения от окончания нервного волокна на орган осуществ­ляется в парасимпатической нервной системе при помощи ацетилхолина, а в симпатической – норадреналина. Раздражение этих отделов вегетативной нервной системы вызывают обычно различные по направленности сдвиги в деятельности органов [3].

Передача импульса биотока от клетки к клетке нерва осуществляется, как показали позднейшие исследования, через прионы. Этот термин ввел в науку лауреат Нобелевской премии 1997 года по физиологии и медицине американец Стенли Прузинер (Stanley B. Prusiner): прионы – это обычные белки, которые располагаются на поверхности нервных клеток и участвуют в фун­даментальных процессах. В нормальном состоянии их молекулы скручены определенным образом и находятся в синапсах центральной нервной системы – в переходах, которые со­единяют нейроны в мозгу. Структурные свойства прионов обеспечивают их высокую ста­бильность и способность к самовоспроизведению, они могут самостоятельно соединяться в сверхтонкие и очень прочные нити, длина которых достигает нескольких миллиметров и диаметром до d = 100 нм. При прохождении импульса биотока формируются новые межней­ронные связи, усиливаются прежние. Белок СРЕВ (cytoplasmic polyadenylation element binding protein) синтезирует белки, которые укрепляют эти связи, позволяя зафиксировать импульс биотока на более длительный период времени. Если он изменяет свою форму, то вынуждает другие белки делать то же самое – в точности как прион. СРЕВ выполняет нор­мальную функцию по синтезу белка, когда находится в состоянии приона. Прионы имеют прямое отношение к свойствам человеческой памяти. Недавно обнаружено, что белок, имеющий отношение к сохранению долговременной памяти, содержал отличительные при­знаки приона. Потерю памяти человеком можно объяснить разложением приона. В послед­нее время найден фермент, способствующий такому разложению. Это кератиназа, выделяе­мая, в частности, из бактерии Bacillus licheniformis. В присутствии определенного поверхно­стно-активного вещества (детергента) прион деградирует бесследно, т. е. память не восста­навливается.

Все воздухоносные пути человека – мукоцилиарный (слизереснитчатый) эскалатор по­крыты специализированными клетками мерцательного эпителия и так называемыми под­вижными макрофагами (клетками рыхлой соединительной ткани). По нему снизу вверх вы­носятся задержанные слизью и макрофагами попавшие с вдыхаемым воздухом частицы пыли и микроорганизмы. Кроме того, часть макрофагов, нагруженных пылевыми частицами, с то­ком тканевой жидкости уносятся в ближайшие лимфатические узлы, где подвергаются час­тичному разрушению. Другие макрофаги взаимодействуют с фибробластами легких – «строи­телями» соединительной ткани, ответственными за процессы воздухообмена. Изучая газооб­мен, физиологи столкнулись с весьма странным явлением: оказывается, в ходе окисли­тельно-восстановительных процессов используются не все молекулы кислорода, а только от­рицательно заряженные. Но в обычных условиях, даже в чистом воздухе, в горах или на бе­регу моря, они лишь незначительно преобладают над положительно заряженными. Вероятно, в процессе эволюционного развития организм, приспосабливаясь к окружающим условиям, создал систему (мерцательный эпителий), роль которой определяется не только, а, может быть, и не столько в очистке поступающего воздуха, сколько в дополнительной ионизации молекул кислорода. В связи с этим следует считать, что придаточные пазухи носа работают как своеобразные резервуары, у которых кислород готовится для активного участия в окис­лительно-восстановительных реакциях обмена веществ. Расширение венозных сплетений носа при глубоком дыхании приводит к «заложенности» носа, предохраняющей организм от избыточного кислорода и избыточного выхода из организма углекислоты. Уменьшение час­тоты дыхания приводит к очищению носа от запахов (меньше радикалов участвуют в реком­бинации). Из изложенного следует, как важно стремиться поддерживать эти пазухи носа в чистом (незаложенном) состоянии.

Устойчивую потерю чувствительности органов обоняния к запахам может вызвать ви­русная инфекция: в организме внезапно начинают вырабатываться антитела к собственным клеткам, из которых состоит миелиновая оболочка нерва. Под действием антител она час­тично разрушается. В нерве с ненарушенной оболочкой скорость v распространения сигнала (импульса биотока) от клеток рецепторной ткани к центрам накопления и хранения инфор­мации достигает v ≈110 м/с. В нерве с полуразрушенной оболочкой она уменьшается до v_о ≈1 м/с, из-за чего сигнал не достигает адресата или, если доходит до него, то, будучи сильно ослабленным. В зависимости от того, где и с какой скоростью разрушаются миелино­вые оболочки, степень потери чувствительности органов обоняния к запахам будет частич­ной или полной. Частичная потеря обоняния устраняется с помощью лекарств. Полная по­теря чувства обоняния порой сопровождается смертью человека от отравления некачествен­ными продуктами питания. При полной потери чувствительности надежду на излечение дают клеточные технологии, которые интенсивно развиваются в последние годы, в особен­ности стволовые клетки. Они могут превращаться в любые другие клетки организма, ремон­тируя или заменяя погибшие. Если их ввести в кровь, они способны сами найти поврежден­ные участки миелиновой оболочки. Французские физиологи определили, что 72% генов, от­ветственных за обоняние, уже мутировано за ненадобностью. Чувства человека, по мере его развития, существенно ослабли. Поэтому многие аналитики считают, что в будущем органы чувств и «традиционные ценности» отомрут, их заменит разум. С другой стороны, генетики и физиологи вплотную приблизились к клонированию внутренних органов человека, в числе первоочередных – органы обоняния.

Следует отметить, что, хотя каждый конкретный запах регистрирует определённая энер­гоинформационная система, все остальные системы участвуют в этом процессе, хотя и в зна­чительно меньшей степени, чем основная. Изучение сигнальных систем рецепторной ткани позволит изучить механизм и язык ЭОИ и на этой основе разработать препараты, которые будут обострять обоняние и препятствовать заболеванию органов обоняния. Уже созданы искусственные прицельные антитела, способные блокировать рецепторы, лишая тем самым БО возможности регистрировать запахи. Следует, однако, ожидать в ближайшее время раз­работку элементов, восстанавливающих утраченную чувствительность органов обоняния че­ловека к запахам. Вполне вероятно, что ими станут, по нашему мнению, циллии, активно принимающих энергию рекомбинационных квантов и передающих её в ядро клетки рецеп­торной ткани. У препаратов такого типа полностью отсутствуют побочные эффекты тради­ционного лечения, значительно снижающих качество жизни пациентов.

Таким образом, в связи с изменением природных условий и образа жизни человека ухудшилось его обоняние, притупились и другие чувства. Многие исследователи опасаются что они вообще, а обоняние в частности, у человека могут исчезнуть полностью. Механизм обоняния может быть объясним по величине энергии фотонов, действующих на электроны атомов и молекул рецепторов ткани, а также в связи с разработкой оптоэлектронной голографической модели памяти.

Литература:

1. Кучин В.Д. Биоэнергетические основы механизма восприятия запахов / В.Д. Кучин, В.Т. Хомич, И.В. Теодорович // Науковий вісник НАУ, 2005. – №80. – Ч.2. – С. 273-278.

2. Богданов Г.Б., Мазуренко Ю.И. и др. Устройство для измерения электрических параметров биологических мембран. Авт. св-во №1346672, 1987.

3. Кучин В.Д. Биоэнергетика живой клетки и живого организма / В.Д. Кучин, В.Т. Хомич, И.В. Теодорович // Науковий вісник НАУ. – 2005. – №89. – С. 22-26.