Идеи семёнова с. Н. О фононной природе нервного импульса с позиций динамики эволюции косарев А. В., инженер, член ан “Векторной энергетики” общественная




Скачать 203.27 Kb.
НазваниеИдеи семёнова с. Н. О фононной природе нервного импульса с позиций динамики эволюции косарев А. В., инженер, член ан “Векторной энергетики” общественная
страница1/2
Дата публикации29.05.2013
Размер203.27 Kb.
ТипДокументы
vbibl.ru > Физика > Документы
  1   2
ИДЕИ СЕМЁНОВА С.Н. О ФОНОННОЙ ПРИРОДЕ НЕРВНОГО ИМПУЛЬСА С ПОЗИЦИЙ ДИНАМИКИ ЭВОЛЮЦИИ

Косарев А.В., инженер, член АН “Векторной энергетики” (общественная организация)
АННОТАЦИЯ

Рассмотрены пионерные идеи Семёнова С.Н. о фононной природе нервного импульса с позиций динамики эволюции. Интерпретированы наблюдаемые экспериментальные факты, касающиеся нервных процессов исходя из идей Семёнова С.Н. и динамики эволюции.

Принято считать, что в живом организме информация от рецепторов к нейронам мозга и от нейронов мозга к мышцам передаётся посредством электрических нервных импульсов (потенциалов действия). Потенциал действия был открыт раньше потенциала покоя. Луиджи Гальвани в конце 18-го века открыл, что мышечные сокращения конечностей препарированной лягушки могут вызываться электрическим импульсом. В 19-м веке утвердилось примитивное представление о распространении электрических токов по нервам, как по проводам. Однако Гельмгольцем (вторая половина 19-го века) было показано, что скорость распространения нервного импульса составляет лишь 1 – 100 м/сек, что значительно меньше, чем скорость распространения электрического импульса по проводам до м/сек. Поэтому к концу 19-го века гипотеза электрической природы нервного импульса была отвергнута большинством физиологов. Было выдвинуто предположение о распространении по нервным волокнам химической реакции. То, что нервный импульс представляет собой импульс электрического тока вновь утвердилось лишь к середине 20-го века, в основном благодаря работам английского физиолога Ходжкина и его сотрудников. Мысль о фононной природе нервного импульса пришла автору этих строк несколько лет назад в результате приложения своих исследований в области синергетики (сильно неравновесной термодинамики) к биологическим структурам. Главным в этих исследованиях было выявление эффекта вырождения результирующего импульса в многочастичной среде и наличие у такой среды диссипативного порога. Было показано, что переход многочастичной системы за диссипативный порог является необходимым условием формирования кооперативных потоков энергии, принципиальным условием жизни. [См. 6, 7, 8, 9.]. Однако литературный поиск показал, что над идеей фононной природы нервного импульса, задолго до моих исследований в биологии, интенсивно и плодотворно работал Семёнов С.Н. [См.14, 15, 16.]. На сайте “Известия Науки” в разделе “Новости” от 16 марта 2007 года появилось сообщение: “Работа нервов основывается на передаче звуковых колебаний, а не электрических импульсов. Это открытие, явно противоречащее прежним представлениям, было сделано Томасом Хеймбургом, исследователем из университета Копенгагена.”

^ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ХОДЖКИНА О НЕРВНОМ ИМПУЛЬСЕ КАК ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ИМПУЛЬСЕ

В основе сегодняшних представлений о процессе генерации нервного импульса лежат исследования, выполненные на гигантских нервных волокнах кальмара Ходжкиным, Хаксли и Катцем. Согласно натриевой гипотезе Ходжкина и Хаксли, при возбуждении нервной и мышечной тканей процесс возбуждения развивается вследствие зависимости проницаемости мембраны от мембранного потенциала. При стимуляции в результате воздействия сенсорной клетки или искусственно электрическим током потенциал на внутренней поверхности мембраны меняется с -70мв. на +40 мв., возникает деполяризация мембраны или потенциал действия. Потенциал действия возникает в результате быстрого кратковременного открывания натриевых каналов мембраны и ионы натрия взрывообразно поступают внутрь клетки, вызывая деполяризацию мембраны. Это происходит в ответ на сигнал от сенсорной клетки или искусственного воздействия, приводящих к пороговой деполяризации мембраны. В свою очередь потенциал действия вызывает пороговое изменение деполяризации в соседней области, что приводит в следующий момент к формированию в ней потенциала действия. Нервные импульсы представляют собой потенциал действия, распространяющийся вдоль аксона (в мембране) в виде волны деполяризации. После прохождения потенциала действия происходит реполяризация мембраны, т.е. возвращение к исходному потенциалу покоя.

^ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ СЕМЁНОВА С.Н. О ФОНОННОЙ ПРИРОДЕ НЕРВНОГО ИМПУЛЬСА

Представления Семёнова С.Н. почерпнуты автором данной статьи из [14, 15, 16.].

“В мембране, с точки зрения термодинамики и молекулярной физики, можно обнаружить участки с “кристаллической” структурой, характерных для твёрдых кристаллических тел.” Семёновым была предложена “Молекулярно-механическая модель строения и функционирования биологических мембран (в дальнейшем Модель). Модель предсказывает, что межмолекулярные взаимодействия в мембране должны сопровождаться излучением или поглощением квантов “механического взаимодействия” – фононов.” “Зависимость структуры и свойств мембранных белков от механических свойств мембраны позволило предположить, что процесс функционирования белковых систем сопровождается поглощением или излучением квантов этого взаимодействия – фононов. Т.е. в процессе активации мембранных белков под действием внешнего воздействия, например, при связывании мембранного фермента с субстратом из окружающего раствора, и образованием субстрат-ферментного комплекса выделяется энергия. Которая затем, при возвращении белковой молекулы и исходное (невозбуждённое) состояние может быть излучена в виде мембранного фонона. Выделившийся фонон может потом активировать иную белковую системы в мембране, будучи поглощенным ею, т.е. осуществив передачу информации вдоль мембраны и координацию деятельности различных мембранных белковых систем. Причём совсем необязательно, что бы эти мембранные системы были пространственно близки между собой или имели иную “видимую” связь. Скорее, не будет видимого сопряжения различных мембранных белковых систем между собой. Мы просто будем наблюдать событие, обычно вызывающее некий эффект (или эффекты), в том числе и иной природы, в некотором отдалённом участке биомембраны. Главное, чтобы в мембране существовала упорядоченная структура, похожая на структуру кристалла, обеспечивающая условия передачи фононной информации, а такие структуры, как отмечено выше, существуют в биологических мембранах. В противном случае, фонон может просто рассеяться в мембране, потратив свою энергию на её нагрев”.

“Таким образом, биологические мембраны – квантовые системы и квантами, передающими взаимодействие в этих системах, являются фононы – звуковые кванты. Именно фононы осуществляют межмолекулярный обмен сигналами внутри биологических мембран. Причём обмен сигналами и, соответственно, координация деятельности происходит не только между соседними молекулами, но и молекулами находящихся в разных участках биомембраны. Иными словами, мембраны, как единые квантовые системы, характеризуются своими специфическими квантовыми энергетическими уровнями (с точностью до kT, где kпостоянная Больцмана, а Т – температура в градусах Кельвина), обусловленные их липидным составом и особенностями молекулярной структуры мембранных белковых систем”.

“Сигнал при распространении может подвергаться затуханию и/или искажениям, поэтому на линиях передачи сигналов необходимо периодически иметь усилители, способные подкорректировать, усилить полученный сигнал и передать его дальше. Естественно, что в случае биомембраны это будут молекулярные усилители, которые должны автоматически запускаться при получении фононного сигнала и выключаться после того, как передали его дальше. Очевидно, что процесс усиления сигнала идёт с затратой энергии, которая должна быть запасена клеткой предварительно, желательно, в легкодоступной форме, при этом усилитель должен контактировать с окружающей мембрану средой, иначе ему просто неоткуда получать внешнюю энергию для своей работы. Такие периодические системы реально существуют на поверхности аксонов – это уже упомянутые перехваты Ранвье. Фонон, в процессе своего движения по аксону, периодически активирует квантовые усилители, которые должны быть расположены в перехватах Ранвье. Эти квантовые усилители включаются для усиления полученного сигнала, а затем, передав его дальше, выключаются. Таким образом, нервный импульс никуда и нигде не прыгает, а спокойно распространяется по аксону, включая для своего усиления периодически расположенные в мембране квантовые усилители, которые, передав фононный сигнал дальше, затем выключаются. Иными словами, фонон достигая мембранного квантового усилителя, поглощается последним. Такое поглощение фонона означает, что усилитель получает порцию энергии, переносимую квантом звука. Получив энергию, усилитель активируется и передаёт усиленный (и скорректированный) сигнал в виде нового фонона. Этот процесс должен сопровождаться использованием энергии. В данном конкретном случае это трансмембранный электрохимический градиент – заранее запасённая энергия. После чего, отдав энергию, инактивируется, т.е. просто выключается. Следовательно, молекулярный усилитель должен содержать механозависимую часть, которая должна выключаться под действием сжатия, обусловленного наличием латерального поверхностного давления мембраны. Именно эта механозависимость и наблюдается в мембране нейронов для ионных каналов. Вполне возможно, что канал буквально схлопывается под действием сжатия со стороны своего окружения. Т.е. имеем, что молекулярный усилитель активируется под действием сигнала, который необходимо усилить и передать дальше, а затем, выполнив свою функцию, “автоматически” выключается под действием сжатия со стороны окружающей его мембраны. Естественно, что в выключенном (неактивном) состоянии усилитель не нуждается в энергии. А клетка может восстанавливать трансмембранный электрохимический градиент, служащий источником энергии для молекулярного усилителя; просто нужны две независимые молекулярные системы. В настоящее время нет данных для анализа конкретного механизма действия квантового фононного усилителя, роли пассивного и активного транспорта ионов через мембраны в этом процессе и т.д. Кстати, изменения величины трансмембранного электрического поля, характерные для нервных клеток, влияли только на полярные головки липида, но не затрагивали ни структуру, ни динамику углеводородных цепей в мембране. Иными словами, процессы, сопровождающие распространения мембранного фононного сигнала не влияли на условия его распространения – не влияли на углеводородный компонент биомембраны”.

“Даже такое краткое рассмотрение показывает, что квантовый фононный вариант предложенной Модели позволяет описать работу различных биологических систем, в том числе и нервной системы живых организмов. Передача информации нервными клетками с помощью фононов позволяет передавать клетке сразу несколько сигналов, причём в разных направлениях наиболее быстрым и простым и единым способом. Если фонон при своём движении в мембране и влияет на последнюю, то только уж в совсем локальной области, никак не влияя на распространение других фононов. Единственное возможное узкое место – ограниченное число усилителей в мембране и время их срабатывания. Предположим, что самая медленная стадия в процессе передачи информации это цикл срабатывания квантового фононного усилителя, равный ~0,002 сек (известные данные о том, что не удаётся пропустить более ~500 нервных импульсов через аксон), то скорость распространения нервного импульса (0,2-0,4 м / 0,002 сек) будет в пределах 100 – 200 м/сек, что близко к известным значениям, приведённым выше. Для биологии это хорошее совпадение, которое получено, при допущении, что нервный импульс передаётся фононами у разных организмов и механизм работы усилителей у них близок. Скорость распространения самого ультразвука в тканях, равная ~ 1600 м/сек и слабо зависящая от вида конкретной биологической ткани, не может быть лимитирующей стадией для скорости распространения фононного импульса в аксоне”.

Необходимо отметить, что Семёнов С.Н. вводит параметр – латеральное поверхностное давление мембраны, т.е. давление, которое действует в направлении параллельном поверхности мембраны.
^ ИДЕИ СЕМЁНОВА С.Н. О ФОНОННОЙ ПРИРОДЕ НЕРВНОГО ИМПУЛЬСА В СВЕТЕ ДИНАМИКИ ЭВОЛЮЦИИ

Динамика эволюции неравновесных диссипативных сред изучает условия, при которых формируются потоки энергии с результирующим импульсом отличным от нуля, т.е. потоки энергии способные совершать макроскопическую работу. Изучаются условия стабильности кооперативных потоков и условия их затухания вплоть до равновесного состояния.

В неравновесной системе, в том числе и биологической, всегда действует сила, направленная против градиента потенциальной энергии неравновесности. В соответствии с основным законом динамики эта сила вызывает ускоренное движение массы. (). Так как разность потенциалов действует на всю многочастичную систему, то и сила действует на систему в целом, вызывая коллективное совместное движение частиц много молекулярной системы. Возникают потоки массы и энергии, потоки энергии Умова. Осуществляется переход потенциальной энергии, запасенной в неравновесной системе, в кинетическую энергию общего переноса, имеющую результирующий импульс по направлению действующей силы.

Это и есть механизм самоорганизации диссипативных структур, основополагающего понятия сильно неравновесной термодинамики (синергетики), механизм возникновения совместного, кооперативного движения частиц в многочастичной системе. Однако для возникновения кооперативных потоков энергии в многочастичной системе недостаточно только её неравновесности и действия основного закона динамики. Автору статьи удалось вскрыть эффект вырождения результирующего импульса в многочастичной среде как носителя связанной с ним кинетической энергии (см. [6, 7]). Показано что причиной этого эффекта явилось нецентральное соударение частиц системы, сопровождающееся лавинообразным вовлечением соседних частиц в этот процесс. Это и приводит к рассеянию кооперативной энергии и переводу её в хаотическую, тепловую форму движения, при которой многочастичная система теряет способность совершать макроскопическую работу против сил. В неравновесной многочастичной системе всегда совместно протекают два процесса: процесс формирования кооперативных потоков энергии по причине её неравновесности и процесс рассеяния кооперативной энергии и перевод её в хаотическую форму как следствие эффекта вырождения результирующего импульса. И всё определяется мощностями
  1   2

Добавить документ в свой блог или на сайт

Похожие:

Идеи семёнова с. Н. О фононной природе нервного импульса с позиций динамики эволюции косарев А. В., инженер, член ан “Векторной энергетики” общественная iconЭпикаин™ Торговое название
Механизм действия обусловлен стабилизацией мембран нейронов и предотвращением возникновения и проведения нервного импульса. Анальгетическое...

Идеи семёнова с. Н. О фононной природе нервного импульса с позиций динамики эволюции косарев А. В., инженер, член ан “Векторной энергетики” общественная iconОоо «сибур» 1 Андреев Владимир Александрович Директор Департамента энергетики
Начальник Управления технической политики Департамента  энергетики, член секции нтс

Идеи семёнова с. Н. О фононной природе нервного импульса с позиций динамики эволюции косарев А. В., инженер, член ан “Векторной энергетики” общественная iconКурсовая работа по дисциплине «Статистика»
Понятие рядов динамики. Виды рядов динамики. Основные правила построения рядов динамики

Идеи семёнова с. Н. О фононной природе нервного импульса с позиций динамики эволюции косарев А. В., инженер, член ан “Векторной энергетики” общественная iconСколько у вас осталось пороха в пороховницах, определит прибор Леонида Хандурина
Латвийский инженер-изобретатель, член центра инновационных технологий Leonardo, герой целого ряда публикаций «Часа» Леонид Хандурин...

Идеи семёнова с. Н. О фононной природе нервного импульса с позиций динамики эволюции косарев А. В., инженер, член ан “Векторной энергетики” общественная iconНефтедобывающая отрасль
Цель данной работы – анализ динамики развития топливных отраслей Уральского экономического района за период последнего десятилетия,...

Идеи семёнова с. Н. О фононной природе нервного импульса с позиций динамики эволюции косарев А. В., инженер, член ан “Векторной энергетики” общественная iconОсновные понятия и идеи Фрейдизма
Фрейда и выросла в своеобразную философию. Психоаналитическая философия, эмпирической базой которой является психоанализ, продолжает...

Идеи семёнова с. Н. О фононной природе нервного импульса с позиций динамики эволюции косарев А. В., инженер, член ан “Векторной энергетики” общественная iconСеменова Л. В., Венгер ская Л. Ю. Крайон. Числовые коды
Крайон. Числовые коды / Л. В. Семенова, Л. Ю. Венгерская.— 4-е изд. — М. Амрита, 2010. — 320с. — (Серия «Голубая Роза Сириуса»)

Идеи семёнова с. Н. О фононной природе нервного импульса с позиций динамики эволюции косарев А. В., инженер, член ан “Векторной энергетики” общественная iconСеменова Л. В., Венгер ская Л. Ю. Крайон. Числовые коды
Крайон. Числовые коды / Л. В. Семенова, Л. Ю. Венгерская.— 4-е изд. — М. Амрита, 2010. — 320с. — (Серия «Голубая Роза Сириуса»)

Идеи семёнова с. Н. О фононной природе нервного импульса с позиций динамики эволюции косарев А. В., инженер, член ан “Векторной энергетики” общественная iconЗахаров П. И., Панферов В. С., Посицельский С. Е., Семенов А. В.,...
Гиа-2013. Математика: типовые экзаменационные варианты: 10 вариантов / Под ред. А. Л. Семенова, И. В. Ященко. — М.: Издательство...

Идеи семёнова с. Н. О фононной природе нервного импульса с позиций динамики эволюции косарев А. В., инженер, член ан “Векторной энергетики” общественная iconМужчины и женщины: кто творец эволюции и для кого она делается?
О том, почему именно пол по-прежнему является главным вызовом и загадкой в теории эволюции, а мужчины — первыми жертвами экстремальных...

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
vbibl.ru
Главная страница