Страница 91 - Разум природы и разум человека - А.М. Хазен - Философия как наука

В первой половине ХХ века были обнаружены и исследованы спе­ци­ализи­ро­ван­ные сиг­наль­ные вещест­ва, которые выполняют роль по­сред­ников (ме­­­диаторов) при пере­да­че воздействия от нерв­ных во­ло­кон на мышцы. Вскоре были обнаружены вещества, обладающие аналогич­ны­ми свойствами при передаче нервных импульсов между нейронами в мозге. Их назвали ней­ромеди­а­то­ры. Пер­во­начально наиболее ис­следо­ван­ным ней­­ромедиа­то­ром был ацетилхолин.

 Вещество, элемент системы, орган в живом организме есть ре­зуль­­тат синтеза информации как запоминания случайного выбора. По­ня­тие – нейромедиаторы – с такой точки зрения в первую оче­редь требует пояснений о тех условиях, которые привели к син­тезу ин­фор­мации о них как веществах и о процессах с их участием.

Сигналы в виде электрических нервных импульсов  в организме продуцирует клетка – ней­рон, а пе­редают их её отростки – аксоны и дендриты, которые оканчиваются специализированным контактом – синапсом. Нейроны есть замкнутые по­­лости. Элект­рическая энергия, как их отличие, вызывает самопроиз­воль­­но­е увеличение от­рост­ков нейрона. Оно не продолжается беско­неч­но по­­то­му, что в торце ден­дритов или аксонов – в синапсах – возникает ис­поль­зо­вание элек­­т­ри­ческой энер­гии, от­личное от того, что вызывало рост их длины.

На любом участке длины нервов электри­чес­кое по­ле радиальное. Это есть при­чина формы нерва как протяженной трубки. Эле­мент длины нерва и его то­рец отли­чаются по геометрии. Поэтому фи­зико-химичес­кая морфология нерва вдоль его длины и в торце разная.

Напряженность электрического поля в мембранах нервных клеток, как отмечалось в предыдущих параграфах, огромна. Гео­мет­рия их тор­цев неустранимо соз­­даёт гради­ен­ты поля, которые пространст­венно и по ве­ли­чине от­ли­ча­ются от ра­ди­аль­ных градиентов по длине отростков нейрона. На торце электрические силы  ина­че, чем по длине дендритов и ак­со­нов, влияют на химические внутри­кле­­точ­ные син­те­зы и их продук­ты, а также на включение в мембрану белковых мо­ле­кул – каналов. То­рец дендритов и ак­со­нов завершает их рост в формах, ана­то­мически не тож­дест­венных их участкам вдоль длины.

Это находит выражение в том, что торец аксона (сов­мест­но с со­п­ря­женным с ним тор­цем дендрита или в виде концевой пла­с­тинки), как правило, превращается в специ­фи­ческий эле­мент нейро­на – синапс. Мор­фологически в синапсах выделяют пресинаптическую область со сво­­ей мембраной (принадлежающую одному из нейронов), синаптичес­кую щель и постсинаптичес­кую мембрану, ограничивающую полость дру­­го­го нейрона.

Случайности в торце нейрона имеют электрические альтерна­ти­вы:

передача другому нейрону носителей электрического тока (ионов), то есть способ­ность синапса вступить в электрический контакт с другими элементами  нервной системы;

использование электрической энергии внутри синапса, в част­но­сти, для химического синтеза веществ и выброса их наружу.

Эти альтернативные случайности реализуются, а потому морфо­ло­ги­чески синапсы делят на два типа – элект­рические синап­сы и хими­чес­кие синапсы. Первые передают элек­т­ри­ческий сигнал дру­гим ней­ронам. Сигнал в данном случае есть элект­ри­ческое воз­мущение, вызывающее де­по­ля­ризацию пост­синаптической мем­бра­ны отрост­ков другого нейро­на. Передаются ионы с помощью про­дол­жающих друг дру­га плот­но сты­ко­ванных ион­ных ка­налов пре­си­наптической и пост­си­напти­чес­кой мем­б­раны. Синаптическая щель в электри­чес­ких синапсах практи­чес­ки отсутствует – пресинап­ти­чес­кая и постсина­п­ти­ческая мемб­раны кон­тактируют. Элект­ри­чес­кие си­на­п­сы есть биофизи­чес­кий экви­ва­лент припайки про­водов, раз­ветвления ко­то­рых за­даны.

Первичные свойства клеток связаны с селектив­ной поницаемостью их мембран. Из­нут­ри наружу – эмейо­ци­тоз. Снаружи внутрь – пино­ци­тоз. Прямой и обратный селективный проход ве­ществ через мем­бра­ны ней­­рона – процесс, имею­щий многих эволюционных предшест­вен­ников.

Нервный импульс в момент своего действия в любом прост­ран­ст­вен­­ном элементе мембран нейрона вызывает огромное изменение напря­жен­ности электрического поля, а потому возникновение больших сил, при­­ложенных к поляризованным или заряженным элементам. Чу­же­род­ный электро­литу пузырёк с нейромедиатором есть такой элемент.

Эмейоцитоз происходит через пресинаптическую мембрану (см. рис. 7.6). Он требует затрат энергии. Элект­рическая энер­гия, вне­сен­ная в си­напс нервным импульсом, может служить источником эмей­о­­ци­­тоза. Поэтому выход наружу ней­ро­­ме­ди­а­то­ра, заключенного в пу­зырь­ки, есть высоко ве­роятный резуль­тат дейст­ви­я элек­т­ричес­ко­го нерв­но­го импуль­са на хи­ми­ческий синапс. Экспери­мен­таль­ные факты пока­зы­вают, что выброс ней­ро­медиаторов из синапса про­ис­ходит диск­рет­ны­ми пор­циями – “кван­тами”. Конечно, первичное представление о том, что эти порции связаны только с дискретностью пузырьков, оказалось грубым.

“Кванты”  нейромедиатора поступают в синаптическую щель. В про­цессе диф­фузии они достигают рецепторов, расположенных на пост­си­наптической мембране, и соединяются с ними. Это открывает в ре­цеп­то­рах их ионные каналы и этим начинает деполяризацию (распрост­ра­не­ние нервного им­пуль­са) в отростках другого нейрона. В нервно-мышеч­ном соединении это же вызывает работу мышцы за счёт энергии АТФ.

Деполяризация постсинаптической мембраны меняет электричес­кое и механическое со­стоя­ние рецептора нейромедиатора. Он осво­бож­да­ет нейромедиатор, ко­торый возвра­ща­ет­ся в синаптическую щель. Там на­чинается процесс его распада, ско­рость ко­то­рого зависит от при­сут­ст­вия в окружающей сре­де ферментов, рас­щепляющих данный нейромеди­а­тор. Пиноцитоз воз­вращает часть про­дуктов распада внутрь синапса и этим замыкает цикл превращений нейромедиатора.

Синаптическая щель химического синапса не есть герметичный объект. В неё могут по­сту­пать вещества, переносимые током крови и дру­гих жидкостей в ор­га­низ­ме, в частности, такие же нейромедиаторы от других синапсов (в том числе из далёких пространственно и функ­ци­о­наль­но областей организма или поступающие извне). Расщепляющие фер­менты ограничивают вы­ход нейромедиаторов во вне синаптической щели, но он не запре­щён. Это создаёт разнообразные сочетания локаль­нос­ти и глобальности пере­дачи и действия нейромедиаторов.

Последовательные цепочки хими­чес­ких синапсов есть быстрая во вре­мени элек­т­ри­ческая “пе­редача” ней­ро­медиаторов “по проводам” ло­каль­но в синаптические щели. Она со­че­тается с их глобальным транс­пор­том жидкостями внут­ри организма. Отошлю читателей к обширной исследовательской и учебной лите­ра­туре о синаптической передаче нерв­ного импульса.

Для содержания этой книги важно:

ассортимент нейромедиато­ров, хоть и велик, но ограничен;

нейромедиаторы эволюцион­но более ранних форм жизни, ра­бо­­та­ю­щие в вегетативных областях нерв­ной системы (например млеко­пи­­таю­щих), общие с нейроме­диа­тора­ми, ответственными за работу коры их го­лов­ного мозга;

поступление в синаптическую щель нейромедиаторов из дру­гих отделов мозга, или как результат работы органов чувств, или из ве­ге­та­тивных органов  (желудок, сердце и пр.), или из­вне организма может менять передачу сигналов в химическом синансе, в частности, пороги его срабатывания.

Почему всё это происходит именно так, а не иначе? В том-то всё дело, что в подавляющем большинстве случаев, для многих веществ это не так! Не­кому ставить цель – управляют этим случайности. Уникаль­ные элек­т­ри­чес­кие и химические свойства нейромедиаторов как веществ создают ус­ло­вия для этих случай­но­стей. Они запомнены, так как соз­да­ли преиму­ще­ст­ва для выжи­ва­ния выживающих – для ста­тически ус­той­­чи­вых состо­я­ний и дина­ми­чески устойчивых про­цес­сов. Но только случай­ности, не за­вися­щее от ус­ловий в нейроне, обеспечить такое не могут. Се­манти­чес­кий коэффициент  (см. (1.30)) определяет долю уча­стия в этом син­те­зе ин­фор­мации однозначных физико-химических за­ко­нов, ог­ра­ничи­ва­ющих выбор из случайностей.

Общая основа в действии этих законов имеет две фундаменталь­ные составляющие:

термодинамические цик­лы с участием разных форм энергии как способ химических превраще­ний и связанных с ними механических и электрических процессов и сил;

шестимерные симметрии и отображающие их квазикристал­ли­чес­кие структуры как условие, ограничивающее результаты термоди­на­­­ми­ческих циклов, в частности, выраженное принципом структурной ком­плементар­ности.

В пределе пара химических потенциалов или пары, образо­ван­ные из­менениями химических потенциалов совместно с механи­чес­кой и/или электрической энергией, могут быть основой термодина­ми­чес­ких цик­­лов преобразования энергии в живых системах. Принцип струк­тур­ной ком­пле­мен­тарности (который отражает законы шестимерных симмет­рий) гарантирует сопряжение между собой таких циклов и, более того, требует таких циклов для дос­ти­жения боль­шинства состояний и по­лу­че­ния продуктов реакций в жи­вых системах.

Термодинамические циклы в живых системах – это есть замкнутые траектории в прост­ран­ст­ве мно­гих термодинамических переменных. Ве­ро­ятность их случай­ного замы­кания далеко не всегда велика. Ошибка, препятствующая осуществле­нию циклов, может относиться только к од­ной форме энергии и быть малой. Её можно устранить, если добавить цикл, который преобразует малые количества энергии. Но он своим уча­с­тием замыкает цепочку циклов, энергия и работа в которых несо­по­ста­вимо велики по сравнению в энергией и работой в этом цикле. Такой цикл становится типичным сигналом – управляющим воздейст­ви­ем. Эти термины по определению означают, что малые изменения сис­те­мы при­водят к большим энергетическим результатам. Рецептор для дан­но­го нейромедиатора есть та конкретная система, в пределах которой со­вер­шается замыкающий цикл (работает сигнал управления). 

Например, дополнительный цикл может быть связан с электри­чес­кими процессами, приводящими к механической деформации рецептора. Так работает рецептор нейромедиатора – ацетилхолина.  На языке кине­ти­ки процессов тогда говорят о присоединении медиатора к рецептору и вызванных этим процессах деполяризации мембраны. Сигналы-циклы – это процессы в нервной системе, происходящие с уча­с­тием химических синапсов и выделяемых ими нейромедиаторов.

У высших животных запомненный принцип синаптической связи с участием нейроме­ди­аторов ещё больше специализируется с помощью отбора. На­пример, сложную роль в организме играет нейромедиатор – серото­нин. Проявления человеческой любви, которые описаны в рома­нах как экстраординарные состояния, возникают из-за свойств се­ро­то­ни­на в роли нейромедиатора. Он принимает участие в формировании снов и может быть причиной того, что человек видит цветные сны. Серотонин и его рецепторы в мозгу и в нервной системе сегодня в центре исследо­ва­­ний. Ему посвящены сотни публикаций. Идут интенсивные ис­сле­до­ва­ния многих других нейромедиаторов, например допамина. Меди­цина будущего – этой нейромедиаторная медицина. Но и опасности зло­упот­реблений знаниями о нейромедиаторах очень велики – может быть они даже больше, чем опасность знаний об атомной энергии.

Сегодня существуют экспериментальные факты, поясняющие пер­вич­ные этапы возникновения нейромедиаторов. Довольно поздно в хро­нологии исследований нейромедиаторов выяснилось, что роль пос­ред­ни­ка, передающего сигнал мышце, может выполнять АТФ. Пер­вые экспе­ри­ментальные факты, ука­зывающие на участие АТФ в передаче сигнала  к мышце с удивлением нашли в 1966 г., а к 1972 г. они были изу­че­ны в сложных мно­гоклеточных организмах, например, в гладких мыш­цах, ра­бо­тающих в же­лудке, кишечнике и других органах мле­ко­пи­таю­щих (см. популярный обзор [133]). В этом была парадоксальность потому, что опи­санные выше ней­ро­медиаторы, например, ацетилхолин были обна­ру­жены и исследо­ваны при­мерно на пол­сто­ле­тия раньше.

Для живых ор­га­низмов необходимость в системе управ­ления пер­вично воз­ни­кает в связи с дви­же­ниями и вызывающими их мышечными сокращениями. Наиболее ранние в истории и нужные для выживания слож­ных орга­низ­мов – гладкие мыш­цы. У высших форм жизни они пред­­­ставлены во всех системах, обеспечивающих жизнь, та­ких, на­при­мер, как кро­­ве­носная и пище­ва­рительная. Клетки гладких мышц спе­­циали­зи­ро­ваны для производ­ст­ва работы. Они зависимы от АТФ, ко­то­рая есть энергетический акку­му­лятор в клетках. Её синтез проис­ходит с участием электрического поля. Отличия электрического поля в торце нерва в первую оче­редь долж­ны сказываться на процессах с уча­с­тием АТФ. Высока вероятность таких реакций с участием АТФ, которые синтезируют её вне и сверх по­т­ре­б­­ностей энер­гетических циклов ос­нов­ного метаболизма клет­ки. Зат­ра­­ты энергии на синтез АТФ оста­нав­ливают рост нерва, но избы­точ­ную АТФ клетка использовать не может. Она выделяется наружу из пресинаптической мембраны и мо­жет действовать на рецепторы постсинаптической мембраны. Воз­ни­кает химический синапс на основе АТФ в роли нейромедиатора. Он пока­зан на рис. 7.7. Мышца, ко­торой необходимо уп­рав­лять, изоб­ра­жена внизу. Над ней торец нерва – синапс , передающий ей управляющий сигнал.

АТФ есть вещество, естественное для мышечных клеток. Высока вероятность сродства конкретных элементов мышечной клетки и АТФ. Оно существует, а потому существует и ответственный за него элемент, который называют рецептором АТФ. Действие на него АТФ становится управлением (сигналом) для производства механической работы за счёт собствен­ной АТФ мышцы (как носителя энергии в организ­мах).

АТФ в данном случае получает дополнительные функции пос­ред­ника. Она выбра­сы­вается в жидкость, заполняющую синаптичес­кую щель. В основном метаболизме распад АТФ есть источник энергии. При работе АТФ как нейромедиатора её распад есть естественный про­цесс, энергия которого организмом не ис­пользуется (превращается в теп­ло). Этот распад пока­зан на рис. 7.7 це­поч­кой от АТФ до инозина. Про­ни­цаемость мем­б­ра­ны синапса для продуктов распада обязательно иная, чем для самой АТФ. Пиноцитоз возвращает АМФ внутрь синапса, где она участ­ву­ет в ресинтезе АТФ, а так­же в образовании пузырьков и повторении всего цикла.

“Близ­ко­род­ствен­ные” связи АТФ со всеми процессами в клетке соз­дают условия для фор­мирования химического синапса на основе АТФ как нейромедиатора при первичных стадиях эволюции жизни. Такой си­напс мог быть ещё только круп­ной ор­­га­нел­лой в сос­таве клетки. Не важ­­но, что его сиг­нал не имел “вы­чис­ли­тель­ной” об­работки – от­крыл­ся путь для эволюционных измене­ний путём отбора из новых случай­но­с­тей.

При передаче нервного им­пульса с участием цепочки хими­чес­ких си­на­п­­сов (а это основной “эле­ментарный” процесс в нервной системе) элект­рический сигнал при­во­дит к выделению в синапсе конкретного ней­ро­медиатора. Достигая постсинаптической мембраны он запускает но­­вый электрический им­пульс. Далее опять изменение электрического потенциала приводит к вы­делению в другом си­напсе нейромедиатора. Участие в этом законов рос­та дендритов и ак­со­нов приводит к тому, что ки­нетика работы нерв­ных систем есть элект­ри­ческая “передача” веществ – нейромедиаторов на большие рас­сто­яния и по многим направлениям.

Эта передача несовершенна, так как её дуб­ли­рует распространение нейромедиаторов с током крови и других жидкостей в организме, диф­фузия в окрестностях синапсов и подобное. В этом несовершенстве па­ра­доксально содержится основа и объяснения воз­мож­ностей и эффектив­ности нервных систем и мозга, которые по­ра­жают человека.

При этом случайность формирует как нейромедиаторы, пере­даю­щие возбуждение – это, например, нор­ад­реналин, ацетилхолин, глута­миновая кислота и др., так и тормозящие ме­ди­а­торы, например, гамма-ами­­но­мас­ляная кислота, глицин и др. Альтер­на­тивное (торомозящее и воз­буж­да­ющее) действие нейромедиаторов ста­но­вится основой комби­ни­­ро­ван­ных положительных и отрицательных об­рат­ных связей, свойства кото­рых и роль будут рассмотрены в параграфе 9 этой главы.

Как могло случайно возникнуть разнообразие химически не по­хо­жих друг на друга нейромедиаторов, но однотипных по слож­ным функ­циям ве­ществ? Первое из условий, отвечающее на этот во­п­рос, общее и мно­го­крат­но под­чёркнуто выше – электричес­кая ос­но­ва энергетики метабо­лиз­ма и прин­цип структурной комплементарности (шестимерные сим­мет­рии).  Второе специфичное – возможность для АТФ выполнять функции ней­ро­медиа­тора.

Эволюция содержит скачки и непрерывную составляющую. Ска­ч­ком является возникновение хотя бы только внутри одноклеточного эука­риотического организ­ма нового явления – сигнала, то есть низ­ко­энер­­гетической связи, управ­ля­ющей движением клетки (активным от­ве­том на воздействие внеш­ней среды). Его основа – запоминание случай­но­го выбора, разрешён­ного условиями. Оказалось, что уникальное ос­новное вещество энергетики жизни АТФ может быть одновременно и “си­ло­вым” аккумулятором и посредником-нейромедиатором. Если бы не это, то скачок стал бы настолько маловероятным, что не состоялся бы никогда. Но, когда скачок на основе АТФ состоялся, то равноправность уча­с­тия элек­т­ри­ческой энергии в реакциях на основе веществ, имеющих разные конкретные химические потен­ци­алы, стала состав­ляющей новых условий. Для естественного отбора возник новый источник случайнос­тей, выбор из которых запомнил мно­жество разных нейромедиаторов, отвечающих им рецепторов и фермен­тов, которые их расщепляют.

АТФ в роли нейромедиатора есть “переходная форма” в эво­лю­ции жизни, которая создаёт направление отбора, усложняющее химичес­кий синапс. Сегодня известны десятки нейромедиаторов. В частности, в нер­в­­но-мышечном со­единении работает упомянутый выше ацетилхолин. Ве­ще­ства, блоки­рую­щие разные стадии процессов в ацетилхолиновом си­­нап­се, вызывают мгно­венные двигательные параличи, в частности, смерть из-за остановки сердца.  Подробное исследование этого медиа­то­ра было вызвано, глав­ным образом, разработками нервно-пара­ли­­тичес­ких боевых отравляю­щих веществ и инсектидов для насекомых.

Ацетилхолин был запомнен естественным отбором по той же са­мой причине, по которой первым нейромедиатором стала АТФ – широ­кая распространённость и важная энергетическая роль АТФ в метабо­ли­з­ме облегчают запоминание АТФ как вещества-сигнала, но одновременно мешают селективности её действия как сигнала. Отбор в такой ситуации “может ждать” находки “неестественного” для метаболизма вещества, которое именно поэтому хороший селективный медиатор.

Почему возникают такие сложнейшие изощрённые связи? Ответ содержится в шестимерных симметриях и принципе структурной ком­п­ле­ментарности. Без этих фундаментальных закономерностей ни­ка­кая слу­чайность не могла бы дать результатов, хоть сколько-нибудь су­ще­ст­венных для возникновения и эволюции жизни и, в частности, метабо­лиз­ма животной эукариотической клетки. Опять, как вез­де и всегда в живых системах, закономерности есть только ограничиваю­щие усло­вия для слу­чай­ностей. Они диктуют результат как наиболее вероятное для случай­но­стей в данных условиях.

Таковы общие элементы и процессы, которые как готовые блоки могут использоваться, когда усложнение внутриклеточных про­цессов или взаимодействий разных клеток в много­кле­точных орга­низ­мах огра­ничивают прямые одностадийные хи­ми­чес­кие и энергети­чес­кие связи – выделилась энергия и потрачена сразу только потому, что она есть.