Естественно, подбор таких растворов был связан с исследованием состава крови, гемолимфы и т. д., поэтому этот состав и был довольно хорошо известен.

Поэтому важный для подтверждения мембранной теории солевой — а значит и ионный — состав таких внеклеточных жидкостей был хорошо известен. Оказалось, что «главный поставщик» ионов всех таких растворов — обыкновенная поваренная соль. Предполагают, что в этом отражается происхождение животных, главные ионы морской воды — тоже натрий и хлор.

Особенно интересно и очень существенно с точки зрения мембранной теории то, что хотя абсолютная концентрация солей в тканевой жидкости разных организмов в зависимости от условий их обитания сильно варьирует, но соотношение концентраций ионов натрия и калия в среде, окружающей клетки организма, примерно одинаково для всех животных — от медузы до человека. Концентрация калия примерно в 50 раз меньше, чем натрия. Таким образом, у всех животных эта среда по существу представляет собой в большей или в меньшей мере разбавленную морскую воду.

Гораздо труднее было определить ионный состав внутриклеточного содержимого. Ученые пытались использовать для определения этого состава самые разные методы, о которых мы не будем вам подробно рассказывать, по все данные, полученные этими методами, были лишь приблизительными: клетки слишком малы, а между ними всегда имеется межклеточное вещество и жидкость. Кроме того, сторонникам мембранной теории надо было не просто показать наличие калия внутри клеток, а наличие именно свободных, несвязанных ионов калия. Эта проблема была, как уже не раз случалось, решена с помощью двух подходов: и разработкой новых методов измерения, и подбором подходящего объекта.

В 1936 г. английский специалист по головоногим моллюскам Дж. Юнг обнаружил у кальмаров нервное волокно, диаметр которого доходил до миллиметра, т. е. по клеточным масштабам гигантское, хотя сам моллюск вовсе не был гигантским. Такое волокно, выделенное из организма и помещенное в морскую воду, не погибало. Наконец-то появилась живая клетка, в которую можно было проникнуть, с которой можно было работать.

В 1939 г. английские ученые А. Ходжкин и его ученик А. Хаксли впервые измерили разность потенциалов на мембране животной клетки. Удалось также доказать, что внутри этого волокна действительно много ионов калия, что эти ионы представляют собой «ионный газ», т. е. могут участвовать в создании мембранного потенциала. При этом расчетное значение ПП неплохо совпадало с непосредственно измеренным.

Распространить эти данные с уникальной клетки — гигантского аксона — на обычные клетки стало возможным, когда в 1946 г. американские ученые Джерард и Линг разработали новую методику — методику микроэлектродов. Микроэлектрод — это вытянутая иэ нагретой стеклянной трубочки тоненькая пипетка с диаметром кончика менее 1 мкм, заполненная раствором электролита.

Стекло играет роль изолятора, а электролит — проводника. Такой электрод можно ввести в любую клетку, практически ее не повреждая.

Новая техника эксперимента быстро получила широкое распространение в самых разных исследованиях и за несколько лет буквально завоевала мир. Сам Джерард в США зарегистрировал ПП мышцы лягушки, сокращение которой наблюдал Гальвани и токи повреждения, в которой изучал Дюбуа-Реймон. Дж. Экклс в Новой Зеландии зарегистрировал ПП клетки мозга, Б. Катц в Англии начал изучать с помощью новых электродов действие нерва на мышцу; в Швейцарии С. Вайдман первым сумел ввести хрупкий микроэлектрод в сокращающееся сердце. В нашей стране пионером микроэлектродных исследований стал сотрудник Киевского государственного университета Платон Григорьевич Костюк, который начал применять эту технику в середине 50-х годов.

Вскоре были получены достаточно полные данные о величине ПП для разных клеток, ПП был обнаружен не только у мышечных и нервных клеток, но и у эритроцитов, клеток кожи, печени и др. Если считать, что причиной ПП служит разность концентраций ионов калия во внутренней и наружной средах клеток, разделенных мембраной, а все клетки в этом отношении устроены в общем сходно, то наличие ПП совершенно закономерно, хотя и не ясно, зачем понадобился ПП, например, клеткам слюнной железы или печени.

О пользе бракованных микроэлектродов

Теперь, когда достаточно точное измерение ПП в отдельной клетке не представляло проблемы для проверки мембранной теории по формуле Нернста, оставалось сделать последний шаг — научиться так же точно определять ионный состав в клетке. И замечательно, что развитие микроэлектродной техники помогло решить и эту задачу.

Дело в том, что изготовление микроэлектродов — это целое искусство: и стекло подобрать, чтобы хорошо тянулось, и режим нагрева и скорость вытягивания, чтобы копчик не обламывался и внутренний канал не закупоривал, и т. д. и т. п. И вдруг оказалось, что даже если в опыте использовался плохой, «бракованный» электрод, у которого на кончике вообще не было отверстия, потенциал все равно регистрировался, как будто стекло было не изолятором, а проводником. Когда стали в этом разбираться, оказалось, что, действительно, тоненькие стенки микроэлектродов из некоторых сортов стекла представляют собой — что бы вы думали? — полупроницаемую мембрану, т. е. избирательно пропускают ионы какого-либо сорта.

Если такой электрод, заполненный раствором с известной концентрацией изучаемого иона, опустить в раствор, содержащий тот же ион, то, зная значение возникшего нернстовского потенциала, можно использовать формулу Нернста для решения обратной задачи — определить неизвестную концентрацию иона в исследуемом растворе.

Использование таких электродов в сочетании с методом меченых атомов и другими методами позволило определить ионный состав внутриклеточного содержимого. Оказалось, что, как и предсказывала мембранная теория, внутри клеток концентрация ионов калия в 30—40 раз выше, чем в наружной среде. Оказалось также, что соотношение калия и натрия внутри клеток животных совершенно иное, чем вне их: в то время как вне клетки много натрия, в клетках, наоборот, калия почти в 10 раз больше, чем натрия.

Высокое содержание ионов калия было обнаружено не только в нервных, но и в разных других клетках организма. Таким образом, внутреннее содержимое всех клеток животных оказалось непохожим на морскую воду. В ходе эволюции эти клетки создали свою особую внутреннюю среду.

Клеточная мембрана

Итак, вопросы об ионном составе внутренней и внешней среды, а также о величине ПП были решены; это косвенно доказывало и существование мембраны.

Увидеть мембрану удалось лишь в середине 50-х годов нашего века. Это было сделано с помощью электронного микроскопа, так как толщина мембраны составляет всего 7 —15 нм и в световой микроскоп ее увидеть нельзя. Однако еще до того, как ее непосредственно увидели, сомнения в ее существовании практически исчезли; многочисленные исследования, опирающиеся на факты из разных областей, свидетельствовали, что мембрана существует; более того, к этому времени было известно достаточно много об ее устройстве и свойствах: толщине, электрическом сопротивлении и т. д.