Генератори ритму і розміри тварин

Історія науки показує, що постановка завдання часто не менш важлива, ніж її вирішення. Класичний і всім відомий приклад — Велика теорема Ферма, яка, можна сказати, не має практичної цінності, але спроби докази якої призвели до появи і розвитку цілих областей математики. Є такі приклади і в біології. Один з них — періодичні, або циклічні, рухи у тварин.

Періодичні рухи у тварин: що це таке?

Періодичні рухи, іноді також звані циклічними, як правило, якщо період недостатньо чітко виражений, — це регулярно повторюється відносно простий «малюнок» м’язових рухів. Тобто ритмічні скорочення серцевого м’яза і руху діафрагми, що забезпечують вдих і видих, — це періодичні рухи. І повторювані рухи щелепи у корови (та й не тільки) при жуванні — це циклічні рухи. Рухи ніг при ходьбі або бігу — це теж циклічні рухи. Кожен такий рух являє собою коротеньку і відносно просту рухову програму, яка повторюється багато разів поспіль. У найпростішому випадку програма складається всього з двох дій — скорочення і розслаблення, в більш же складних випадках, наприклад при ходьбі, включає в себе багато послідовних скорочень і розслаблень різних м’язів. Така програма, багаторазово повторювана, зручна для організму: вона дозволяє здійснювати необхідні дії автоматично, «не замислюючись» над кожним новим циклом. Потрібна тільки сама програма, «записана» в керуючих даною групою м’язів нервових клітинах, і генератор, який буде її раз за разом «запускати» протягом відносно тривалого часу.

До того, як влаштовані ці програми і генератори, ми повернемося пізніше, а поки подивимося уважно на самі циклічні рухи. Те, як вони діють, як проявляються в різних організмах, вже саме по собі викликає подив і змушує ставити питання. Наприклад, дихання або серцебиття: добре відомо, що їхня частота пов’язана з розмірами тварини. У дрібних тварин вона висока, у великих — низька. У миші, наприклад, або у землерийки частота серцебиття досягає приблизно 500 ударів на хвилину, в той час як у слона число ударів на хвилину всього лише близько 25 (а у людини — близько 70). Але чому? Чому генератори у різних тварин, «не змовляючись», підлаштовуються під розмір свого господаря?

Залежність частоти серцевих скорочень (ПСС) від маси тіла у деяких теплокровних тварин. Малюнок на основі даних зі статті: Rubenstein D. A., Yin W., Frame M. D. Biofluid Mechanics. Academic Press, 2015, 123–160

Навіщо…

Як і у всякому питанні, тут є кілька «пластів». Ми поки наведемо відповідь на питання, що лежить в самому «верхньому» пласті, — питання, яке швидше можна було б сформулювати як «навіщо»: навіщо тваринам різного розміру різні генератори? Якщо говорити про частоту серцебиття, то причина — у втратах тепла тваринам. Теплокровність (а слон і миша — теплокровні тварини) обходиться організму дуже дорого: щоб підтримувати свою температуру незмінною в середовищі, яке помітно (на градуси, а то і на десятки градусів) холодніше його, доводиться левову частку всіх своїх «енергетичних ресурсів» пускати на нагрів. Не вдаючись у деталі, можна сказати, що виробництво тепла в організмі тварини забезпечують всі його клітини — тільки подавай їм паливо (поживні речовини) і кисень. І те й інше приноситься з кров’ю. Але скільки потрібно принести їх у миші і скільки — у слона? Втім, візьмемо для прикладу навіть не слона, а кішку або невелику собаку — щоб не лякати читача великими числами. Якщо кішка приблизно в десять разів більша за мишу (за довжиною тіла), то поверхня її тіла більше мишиною вже в сто разів, і, значить, в сто разів більше вона через цю поверхню втрачає тепла. Але при цьому обсяг (і маса) її тіла, а разом з ним — і запас тепла, в тисячу разів більший, а значить, і остигати вона буде повільніше. Дрібна ж тварина, навпаки, остигає набагато швидше, тому і їсти їй потрібно більше (порівняно з її власною вагою), і ганяти кров по своєму маленькому організму їй доводиться швидше.

Якщо пояснення необхідності відмінностей у частоті серцебиття у різних організмів «лежить на поверхні», то пояснення відмінностей у тривалості кроку залежно від розміру не настільки очевидно і більш інтригуюче. Ось ідуть батько з сином. Поки батько робить один крок, дитина встигає зробити два. Зрозуміло, у батька крок ширше — щоб угнатися за ним, потрібно свої короткі кроки робити частіше. Але справа не тільки в цьому. Якщо придивитися, то і при вільному ході, самі по собі, коли гнатися нема за ким, діти, як правило, роблять частіші кроки, ніж дорослі. Одному з авторів цієї статті довелося на початку 1960-х років бути присутнім на лекції відомого фізіолога Миколи Олександровича Бернштейна, який висловлював думку, що управління рухами кінцівок «підлаштовується» під їхні фізичні особливості. Руху ноги, нехай і керованою нервовою системою, подібно руху маятника: як і у маятника, у неї є своя частота, з якою нозі «зручно» рухатися вперед-назад. Якщо нервові імпульси, що керують ногою, будуть намагатися працювати «не в такт» з цією частотою, то таке управління виявиться менш економним.

І чому?

Схема жувального рефлексу по Шеррінгтону. Цифрами позначено порядок рефлекторних подій, стрілками — напрямки нервових імпульсів в рецепторних (1, 3) і моторних (2, 4) нейронах

Але повернемося тепер до того, як влаштовані циклічні рухи. Тобто не навіщо, а чому вони циклічні? Це питання далеко не відразу стало зрозумілим. Поняття про рефлекс як про основу фізіологічних явищ, введене ще в XVII столітті Декартом, було дуже популярним на рубежі XIX і XX століть. У 1917 році англійський фізіолог Ч. С. Шеррінгтон, аналізуючи циклічні рухи щелепи у кішок при жуванні, висунув гіпотезу, що вони мають рефлекторну природу. До цього часу був відомий рефлекс відкривання рота, що полягає в тому, що воно викликається тиском на слизову оболонку ротової порожнини або на десну. Коли в рот потрапляє їжа і щелепи змикаються, виникає рефлекс відкривання рота. При цьому основний жувальний м’яз, що стискає щелепи (массетер), розтягується. У багатьох м’язах, у тому числі в массетері, розтягнення детектується локалізованими в них рецепторами і викликає рефлекторне стиснення м’яза. Випробувавши спочатку розтягнення, массетер потім рефлекторно скорочується і закриває рот. Це знову викликає тиск їжі на поверхню рота і рефлекторне скорочення м’язів антагоністів, що відкривають рот. Чергування двох рефлексів і викликає ритмічне жування. Мабуть, це була перша у фізіології концепція механізму жування, причому цілком заснована на рефлекторній теорії.

Як сказано у відомому жарті, велич науковця визначається тим, як надовго йому вдалося загальмувати розвиток науки. Шеррінгтону вдалося років на двадцять загальмувати розвиток уявлень про циклічні рухи: авторитет його був настільки великим, що довгий час таке їх пояснення здавалося єдино вірним, на альтернативні гіпотези звертали мало уваги. Перші вказівки на його помилковість з’явилися, коли виявилося, що циклічні рухи щелепи зберігаються і при порушеннях чутливості порожнини рота, і при порушеннях провідності афферентних (тобто рецепторних) нервових волокон.

Ми не будемо тут докладно описувати історію дослідження цього питання, а розповімо лише про те, якого висновку в результаті прийшла фізіологія. Отже, рухи відбуваються завдяки роботі м’язів — волокон, які можуть вкоригуватися (скорочуватися) і розтягуватися (розслаблятися). Змушують їх скорочуватися (як правило; про винятки ми ще поговоримо) нервові клітини: на кожному м’язі «сидять» закінчення нервових клітин, по яких, як по проводах, з керуючого центру приходить сигнал: скорочуватися! Значить, причина періодичності м’язових скорочень — в періодичності сигналу, що приходить з керуючого центру, який складається з нервових клітин (знову-таки про важливі винятки — пізніше).

Клітинні генератори

Як же влаштовані нервові клітини, що їм дозволяє створити в цьому керуючому центрі ті генератори, які будуть регулярно відправляти в м’яз сигнал до скорочення? Типова нервова клітина має центральну частину — тіло клітини, від якої відходять відносно короткі розгалужені відростки — дендрити і довгий відросток — аксон. Якщо говорити спрощено, то можна уявити аксони як дроти, у яких є електрична ізоляція (власна клітинна мембрана, а часто ще й додатковий ізолюючий шар — так звана мієлінова оболонка). По «проводах» біжить електричний струм — точніше, короткі імпульси електричного струму, які і керують м’язами. У цих «проводів» дуже багато відмінностей від тих електричних проводів, з якими ми звикли стикатися в побуті. Але головна відмінність в тому, що «живі» дроти — це не мідний дріт, а солона рідина. Тобто заряд переноситься не електронами, а іонами тих солей, які в цій рідині розчинені. А значить, нервовій клітці потрібно ціле «іонне господарство»: насоси, які будуть збирати навколо клітини і закачувати в неї потрібні іони (і викачувати непотрібні); канали, якими ці іони будуть бігти при генерації нервового імпульсу; сенсори, які відчуватимуть зміни концентрацій кожного з важливих для нервового імпульсу іонів, тощо. Солена вода — поганий провідник, набагато гірше, ніж метал. Щоб імпульс електричного струму міг швидко поширитися по нервовому волокну, його треба посилювати на кожному кроці — «ретранслювати». Отже, як телеграфні станції, що стоять на шляху телеграфного проводу через кожні кілька десятків кілометрів, у мембранах нервового волокна по всій його довжині також повинні стояти підсилювачі — ретранслятори сигналу.

Але виявляється, що з тих же «радіотехнічних» елементів можна зібрати не тільки хорошу телеграфну лінію з проводами і ретрансляторами, але і генератор імпульсів, через кожен певний проміжок часу створює сигнал, який буде далі поширюватися по нервовому волокну. Чим буде визначатися цей проміжок, тобто частота генератора? По-перше, властивостями самих елементів, з яких він зібраний: іонних «датчиків», каналів і насосів. По-друге, тим, яким чином вони організовані в єдину структуру: скільки їх, в якому співвідношенні вони знаходяться один з одним, як взаємно розташовані, які розміри «несучої» їх клітини тощо.

У всього повинна бути якась причина!

Вище ми сказали про те, що не завжди нервові клітини керують періодичними скороченнями м’язів. Є винятки — і дуже важливі винятки. Одне з них — серцевий м’яз. У серці є особливі видозмінені м’язові клітини, які утворюють скупчення — синусовий (або синоатріальний) вузол. Ці клітини відіграють роль генератора серцевих скорочень. Ритмічні скорочення серцевого м’яза виникають під дією цього генератора, без будь-якого впливу нервів. Ще 40-50 років тому в подібне важко було повірити — так сильна була впевненість в керуючій ролі нервів і неможливості будь-яких мимовільних, нічим ззовні не викликаних рухів м’язів. Одному з авторів цієї статті наприкінці 1960-х років довелося бути присутнім на засіданні Московського фізіологічного товариства, де розповідали про останні роботи з вивчення серцевого м’яза. Серед слухачів був прекрасний кардіохірург, який не хотів вірити доповідачу: «Як же ви говорите, що серце скорочується саме по собі, без участі нервів, коли там є вагус (nervus vagus -» блукаючий нерв «)?» «Та він не потрібен для скорочення! Можна ізолювати окремі клітини м’яза серця, помістити їх у поживний розчин, де їх не стосуються ні нерви, ні інші м’язові клітини, і вони будуть самі по собі скорочуватися «. Така заява викликала повну розгубленість в аудиторії. «Але не може ж відбуватися скорочення без будь-якої причини! Повинна ж бути якась причина? Можливо, це… космічні промені? «

Поставимо питання

Проте і мимовільне періодичне скорочення м’язів, і мимовільна генерація періодичних сигналів нервовою клітиною можуть бути. (Для клітин серцевого м’яза така здатність пояснюється тим, що в їх мембранах містяться приблизно ті ж іонні насоси і канали, які «працюють» в нервових клітинах, що генерують періодичні імпульси.) Однак тепер настав час звести воєдино всі «ниточки» нашої розповіді. Отже, частота нервових (або м’язових) генераторів визначається розмірами і геометрією нервових (м’язових) клітин, властивостями білків — іонних каналів, насосів, сенсорів, розташованих в їх мембранах, і їх кількістю і співвідношенням в мембрані. Водночас частота цих генераторів повинна відповідати розмірам організму (більша тварина — рідше частота серцебиття), його фізичним властивостям (частоті власних коливань маятників-кінцівок) тощо. Як властивості генераторів молекулярного розміру збіглися з такими «макроскопічними» властивостями живих організмів?

Пристрій іонних каналів, відкриття і закриття яких визначається електричним потенціалом на мембрані клітини або ж присутністю будь-яких речовин у середовищі, довгі десятиліття представляв загадку. Висловлювалися гіпотези, ставилися найтонші експерименти, що дозволяли довести їх або спростувати. Дотепер розшифровано тривимірну структуру більшості каналів. При цьому багато припущень про структуру каналів і спосіб роботи, висловлених раніше, в епоху роботи «наосліп», блискуче підтвердилися. На малюнку представлена просторова структура одного з іонних каналів (потенціал-активований калієвий іонний канал), що містяться в мембранах збуджених клітин ссавців. Малюнок зі статті: Sahoo N., Hoshi T., Heinemann S. H.//Antioxidants & redox signaling, 2014, 21 (6), 933-952 (адаптований)

У сучасній науці на це прийнято давати одну спільну відповідь: така еволюційна адаптація — результат дії природного відбору. Відповідь, звичайно, правильна, але сама по собі вона містить дуже мало конструктивної інформації. Посилання на природний відбір при поясненні тих чи інших біологічних феноменів можна порівняти з відомим «антропним принципом» в космології, який дає відповідь на питання про причини взаємної узгодженості різних світових фізичних констант, найменше відхилення від якої, мабуть, не дозволило б сформуватися тому різноманітності складних структур у всесвіті, яке ми спостерігаємо. «Відповідь» ця у своїй найкоротшій і найбільш утрованій формі звучить так: якби константи були іншими, то ні Сонце, ні Земля, ні людина не з’явилися б і ніхто не ставив би таких дурних питань.

Приблизно так само звучить і відповідь про природний відбір як про причину взаємної узгодженості механічної і теплової «макроорганізації» тварин і «мікроорганізації» їх мембранних генераторів. Насправді залишається багато питань: а що саме тут є об’єктом відбору? Білки іонних каналів? Але вони не дуже сильно відрізняються у слонів і мишей, тоді як відмінність у частоті їхніх генераторів — величезна. Можливо, щільність їхнього розташування в мембрані? Але чим визначається ця щільність? Якщо білок іонного каналу визначається одним конкретним геном і еволюція (мутації і природний відбір) може «працювати» з цим геном, доводячи його (і його продукт — білок) до досконалості, то якими генами визначається розмір клітини, форма її мембрани і щільність розташування в ній білків? А якщо властивості генератора визначаються не однією-єдиною клітиною, а цілою багатоклітинною структурою, в яку повинні з’єднатися (і з’єднатися правильним чином) кілька різних клітин, то як генетично «запрограмувати» саме таке їх з’єднання і які гени можуть бути мішенню еволюції в даному випадку?

Це питання, постановка яких може дати (і вже дає) багато важливих результатів. Вона дозволяє сформулювати цілий ряд програм дослідження. Так, є питання для патофізіології: чи існують помітні відхилення від нормальної для даного виду частоти серцебиття у тварин? І якщо існують, то тут виникає ціла програма для цитологічного і молекулярно-біологічного дослідження: в чому особливість їх клітин і тканин-генераторів ритму? Активність яких генів у них істотно відрізняється від активності генів у здорових тварин? Які з цих генів відповідають за причину, а які — за наслідок цієї патології? Можливо, такі патології несумісні з життям, і тоді їх пошук — вже завдання для ембріології.

Інша програма — моделювання процесів генерації ритму поза живим організмом на ізольованих клітинах або навіть зовсім без клітин — математичне моделювання. Як залежить частота ритму від розмірів клітини, від її форми, наявності складок у мембрани, клітинних контактів? Як впливає на неї щільність розташування в мембрані іонних каналів? Чи можна вбудувати в неї нові типи каналів або, навпаки, прибрати якісь, і до чого це призведе? Робота на живих клітинах дає більш надійні результати, зате математичне моделювання дозволяє перевірити набагато більший діапазон можливостей, недосяжний (або важкодосяжний) при роботі зі справжньою клітиною.

Є тут програма і для найсучаснішої галузі біології — біоінформатики. Ми знаємо геноми вже багатьох тварин. Які у всіх відомих нам тварин існують відмінності між генами, які кодують білки, відповідальні за організацію генераторів? Чи вгадується там, в цьому «генетичному плані» організму, залежність між розмірами тварини і пристроєм її генераторів? Можливо, поглядівши на безперервну історію змін в структурі «генераторних» генів в ході еволюції виду (таксона), що супроводжувалася і зміною його розмірів, ми зможемо зрозуміти механізм і цієї еволюції, і тих взаємно узгоджених змін, яким ми тільки що дивувалися?

Серед тих питань, які ми поставили в кількох останніх абзацах, є вже добре і давно вивчені і описані. І ці питання, якби була можливість описати тут детально історію їх вирішення, могли б послужити яскравою ілюстрацією твердження, з якого ми почали свою статтю: постановка правильного питання означає в науці не менше, а часто — і більше, ніж сама відповідь.

Як приклад скажемо тут про вирішення проблеми, що полягає в істотній відмінності частот генераторів ритму у різних організмів, зібраних з практично однакових елементів (клітинних мембран та іонних каналів). Це рішення призвело до появи і надзвичайно плідного розвитку так званого геометричного підходу в теорії збуджених тканин. Стало ясно, що властивості провідної тканини залежать не тільки від «матеріалу», з якого вона «зроблена», але і від геометрії окремих клітин і утворюваних ними мереж. Так, електричний опір того, хто проводить волокна, швидкість поширення по ньому імпульсу, інтенсивність збудження, здатного викликати необхідну де- або гіперполяризацію проводить мембрани, — ці та інші параметри можуть залежати від товщини волокон і їх гілки, наявності виростів і їх форми, розмірності провідних тканин (одномірна, теремірна, трьохмірна) і їх топології (наприклад, почесна інна — площина або цілорність). Іншими словами, стала ясна роль системних властивостей збудженої тканини. Ці властивості здатні буквально чарівним чином адаптувати характер роботи системи до її функції: бути чутливою до збудження окремої клітини або ж, навпаки, стійкою до одиничних «сплесків»; підсумовувати сигнали, що приходять, чи ні; служити хитромудрим детектором (наприклад, детектором односпрямованих рухів) або логічним елементом. Розробка геометричного підходу до теорії поведінки збуджених тканин мала аж ніяк не тільки академічний інтерес. Завдяки йому стала ясна природа багатьох патологій серцевої діяльності (наприклад, причини фібриляцій), що в кінцевому рахунку призвело до ряду важливих результатів в області медицини. Одному з авторів цієї статті пощастило брати участь у становленні геометричного підходу до теорії поведінки збуджених тканин.

Для іншої частини питань черга підійшла тільки останнім часом, і багато з них зараз активно досліджуються, хоча і не обов’язково у зв’язку з поставленою нами проблемою, а виходячи з зовсім інших завдань. З часом ці нові дані міцно увійдуть в «арсенал» біології, і настане момент для осмислення розрізнених даних — з області фізіології, біофізики, молекулярної біології, біоінформатики — з точки зору інтегральних питань, включаючи і питання, поставлене тут нами.

А для частини питань їх вивчення ще попереду. І може бути, поставлене завдання, яке дозволило сформулювати ці питання, допоможе майбутнім дослідникам у їх вирішенні.

Подробиці для допитливих

Клітини — водії ритму

З одних і тих же елементів можна зібрати не тільки телеграфну лінію (нервове волокно), але і генератор імпульсів (так звані водії ритму, або клітини-пейсмейкери). Цими елементами служать іонні канали, що розташовані в мембрані клітини. Якщо відкрити такий канал і дозволити проходити іонам через мембрану клітини (грає ту ж роль, що і ізоляція для дроту), то зміниться електричний потенціал клітини по відношенню до навколишнього середовища (так званий мембранний потенціал). А це, в свою чергу, може стимулювати ряд інших процесів в клітці: відкриття або закриття інших каналів, поширення нервового імпульсу по волокну, викид кліткою в навколишнє середовище будь-яких речовин тощо.

В організмах тварин існує багато різних пейсмейкерів, розташованих в різних органах і володіють різними функціями і пристроєм. Більшість з них утворено нервовими клітинами (нейронні пейсмейкери), але є й винятки. Найважливіші пейсмейкери — водії серцевого ритму, що представляють собою скупчення видозмінених м’язових клітин. Аналогічні їм за значимістю — нейронні пейсмейкери в дихальному центрі довготривалого мозку. Як і водії серцевого ритму, вони працюють все життя, забезпечуючи ритмічність дихання тварини.

Малюнок на основі даних зі статті: Difrancesco D., Zaza A. (1992) // Journal of Cardiovascular Electrophysiology, 3(4), 334–344

На малюнку схематично зображені клітина — генератор імпульсів в серці кролика (синоатріальний пейсмейкер), — генеруюча періодичні електричні імпульси, і зміни мембранного потенціалу клітини в часі. Три основні типи каналів (натрієві, кальцієві та калієві) в мембрані клітини дозволяють «отримати» безперервні коливання. Кожен з каналів здатний пропускати, в основному, тільки іони одного типу (натрій, кальцій і калій відповідно). Причому канали ці — потенціал-чутливі, тобто відкриваються і закриваються при певній різниці потенціалів на мембрані. Натрієві канали відкриті більшу частину часу циклу і забезпечують повільний вхід іонів натрію в клітини (клітини містять мало натрію, але його багато в навколишньому клітині середовищі). Слідом за входом іонів так само повільно змінюється електричний (мембранний) потенціал клітини (жовта ділянка кривої). Коли потенціал досягає порогового значення, відкриваються кальцієві та додаткові натрієві канали; разом з натрієм в клітку спрямовуються іони кальцію, і потенціал стрімко наростає (кальцію також набагато менше в клітці, ніж в навколишньому середовищі). Однак, як тільки він досягає наступного порогового значення, кальцієві та натрієві канали закриваються, а відкриваються калієві. Калій, якого багато в клітці, але мало поза нею, починає виходити назовні і потенціал клітини знову падає до вихідного значення, і починається новий цикл. Такі цикли можуть повторюватися один за одним, необхідно тільки, щоб спеціальні білки-насоси закачували назад у клітку втрачені нею іони калію і звільняли її від надлишків кальцію і натрію.

Що почитати за темою:

1. Беркинблит М. Б., Глаголева Е. Г. Електрика в живих організмах. М.:Наука, 1988. 288 с.

2. Фліндт Р. Біологія в цифрах: збірник таблиць, що включають понад 10 000 даних. М.:Мир, 1992. 303 с.

3. Шмідт-Ніельсен К. Розміри тварин: чому вони такі важливі? М.:Мир, 1987. 259 с.

4. Ешкрофт Ф. Іскра життя. Електрика в тілі людини. М.:Альпіна нон-фікшн, 2016. 394 с.

Малюнки авторів