Magische Dinge, die aus Einfachheit entstehen: Die Entdeckung des Ursprungs der Bioelektrizität

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Autor: Otto Starlight

Hersteller: China Science Expo

Wenn es ein Wissen aus den Bereichen Physik, Chemie, Biologie und Informatik gäbe, was würden Sie denken? Einige von Ihnen antworten vielleicht mit Bioelektrizität, bei der es sich hauptsächlich um Nervenimpulse handelt. Ein anderer Teil meiner Freunde fragt sich vielleicht: Können Nerven auch impulsiv sein? Seien Sie nicht ungeduldig, dieser „Impuls“ ist nicht jener Impuls.

Die elektrischen Impulssignale in Nerven unterscheiden sich von der Elektronenübertragung in metallischen Leitern. Vergleicht man die Nerven mit einer Art Draht, so weisen die Nerven selbst als organisches Gewebe eine schlechte Leitfähigkeit auf. Und weil die Nerven in Körperflüssigkeiten mit schlechter Isolierung eingebettet sind, führt dies dazu, dass die Nervensignale in den Leitungen durch die Impedanz weiter abgeschwächt werden. Zu diesem Zeitpunkt gleicht der Nerv einem Draht mit schlechter Leitfähigkeit und überall treten Undichtigkeiten auf.

Wissenschaftler erforschen seit langem die Mechanismen elektrischer Impulse in Nerven. Und sein Geheimnis ist so einfach und magisch.

Froschexperiment – ​​Die erste Entdeckung der Bioelektrizität

Bereits im 18. Jahrhundert entdeckte Galvani die Existenz der Bioelektrizität durch sein berühmtes Froschexperiment, bei dem er beobachtete, dass Metalle Krämpfe in den Beinen von Fröschen verursachen können. Diese Entdeckung inspirierte Volt später zur Erfindung der Batterie und förderte die Entwicklung der Elektrizität selbst. Die Entdeckung hatte jedoch kaum Auswirkungen auf die Forschung zur Übertragung elektrischer Signale durch Nerven.

Erst 1871 schlug der amerikanische Physiologe Bowditch das Alles-oder-Nichts-Gesetz der Nerven vor, das besagt, dass die Nervenstimulation einen bestimmten Schwellenwert erreichen muss, um Nervenimpulse auszulösen. Im Jahr 1913 zeichnete Adrian Nervenimpulse auf, indem er die elektrischen Signale eines einzelnen Nervs maß. Dabei stellte er fest, dass Nervenimpulse das Gehirn erreichen konnten, das dann neue Nervenimpulse zur Steuerung der Muskelkontraktion aussendete.

Die Forschung der oben genannten Wissenschaftler kann jedoch noch immer nicht erklären, wie elektrischer Strom in Nerven geleitet wird.

Galvanis Froschexperiment

(Bildquelle: Wikipedia)

Wie elektrische Signale in Nerven übertragen werden

Die allgemeine Annahme ist, dass Körperflüssigkeiten viele Ionen enthalten. Könnten diese die Überträger elektrischer Impulse in den Nerven sein? Vor einem Jahrhundert vermutete der deutsche Physiologe Bernstein erstmals, dass es sich bei den für die Bioelektrizität verantwortlichen geladenen Teilchen nicht um Elektronen, sondern um positiv geladene Ionen handele. Er bestätigte, dass auf der Zellmembran auftretende Nervenimpulse dazu führen können, dass die Zellmembran ohne Transmembranpotential schnell einen neuen Gleichgewichtszustand erreicht.

Bernsteins Hypothese erklärt das Vorzeichen und die Größe des Ruhepotentials sowie die Depolarisation (Membranpotential wird Null), die während eines Nervenimpulses beobachtet wird. Der genaue Ablauf der Nervenimpulse wurde jedoch erst durch das Auftreten zweier Personen enthüllt, nämlich Hodgking und Huxley (ein Mitglied der Familie Huxley).

Der chemische Mechanismus von Nervenimpulsen

Hawking und Huxley führten in den 1930er Jahren experimentelle Untersuchungen durch, um die chemischen Mechanismen von Nervenimpulsen zu erklären. Sie führten winzige Glaskapillarelektroden in die riesigen Axone des Tintenfischs ein, maßen die Änderungen des elektrischen Potenzials der Nervenimpulse und entdeckten Polaritätsumkehrungen (eine kurze Änderung des Vorzeichens des Membranpotenzials).

Sie stellten dann fest, dass dieses Spitzenpotential ungefähr dem Nernstpotential von Natriumionen entsprach. Dies erweiterte Bernsteins Idee der selektiven Permeabilität – die Oberflächenzellmembran kann sich schnell von einer selektiven Permeabilität hauptsächlich für Kaliumionen zu einer Permeabilität für Natriumionen ändern.

Doch als die Forschung schließlich den spannenden Moment erreichte, das Geheimnis zu lüften, brach der Zweite Weltkrieg aus. Da es sich bei dieser Forschung nicht um eine militärische Wissenschaft handelte, wurde sie mehrere Jahre lang auf Eis gelegt. Erst 1946 setzten Hawking und Katz ihre Forschungen fort und wiesen im Detail nach, dass mit abnehmender Natriumionenkonzentration in der Lösung außerhalb des Axons das Spitzenpotential tatsächlich abnahm, bis es Null erreichte. umgekehrt würde das Spitzenpotential steigen.

In späteren Studien schlugen Hawking und Huxley die Spannungssteuerungshypothese vor: Die Depolarisation der Nervenzellmembran löst die Veränderung der Natriumionendurchlässigkeit und die Erhöhung der Membranleitfähigkeit aus. Sie gehen davon aus, dass es in der Membran einen unbekannten molekularen Mechanismus gibt, der es Natriumionen ermöglicht, sich mit einer Leitfähigkeit, die vom Membranpotential abhängt, durch die Membran zu bewegen.

Diese Ansicht lässt darauf schließen, dass die Bewegung der Natriumionen durch die Membran ein positiver Rückkopplungsprozess ist, d. h., die Depolarisation schaltet die molekularen Maschinen ein, die Natriumionen durchlassen, was wiederum den Depolarisationsprozess fördert und dadurch weitere molekulare Maschinen einschaltet, und die beiden Zyklen wiederholen sich. Dies erklärt die Übertragung von Nervenimpulsen.

Wie Nervenimpulse übertragen werden (animiertes Bild)

(Bildquelle: Wikipedia)

In den folgenden Experimenten verwendeten Hawking, Huxley und Katz drei neu entwickelte Techniken (Space Clamp, Voltage Clamp und Ionenflusstrennung), um eine Reihe anspruchsvoller Experimente durchzuführen und die Existenz einer potentialabhängigen und ionenselektiven Leitfähigkeit zu bestätigen.

In der Zeit vor der Erfindung des Computers verwendeten sie einen Computer mit Handkurbel und verbrachten fast einen Monat damit, die Berechnung eines elektrischen Nervenimpulses zu rekonstruieren. Die erzielten Ergebnisse reproduzierten perfekt die zeitlichen Eigenschaften des Aktionspotentials, die Ausbreitungsrate und seine Abhängigkeit von Änderungen der Ionenkonzentration außerhalb der Membran.

Im Wesentlichen ist die durch das Hawking-Huxley-Modell offenbarte Aktionspotentialtheorie jedoch nur eine phänomenologische Theorie. Sie können die makroskopischen Ergebnisse und physikalischen Parameter einer großen Zahl gemessener Ionen nutzen, um das Aktionspotential zu erklären, aber sie können nicht den inhärenten chemischen Mechanismus erklären, also wie die molekularen Maschinen auf der Nervenmembran Natrium- und Kaliumionen unterschiedlicher Größe transportieren.

Molekularbiologische Grundlagen von Nervenimpulsen

Ein tieferes Verständnis erfordert die Entwicklung molekularbiologischer und elektronischer Geräte. Der eigentliche Durchbruch kam 1975, als Neher und Sakmanan die notwendige Elektronik und Patch-Clamp-Techniken entwickelten, zwei Fortschritte, die es ermöglichten, den Strom zu messen, der durch einzelne molekulare Maschinen, sogenannte Ionenkanäle, in den Membranen lebender Zellen fließt.

Die Beobachtungsergebnisse der Ionenkanal-Mikrostruktur weisen auf die Spezifität und den Leitungsmechanismus von Ionenkanälen hin. Im Jahr 1998 haben Mackinnon et al. erhielt zum ersten Mal die Kristallstruktur des Kaliumionenkanals und stellte fest, dass seine Größe vollständig mit der Größe von Kaliumionen übereinstimmte. Seine Struktur zeigt auch, dass Änderungen des Nervenmembranpotentials großflächige Konformationsänderungen in Ionenkanalproteinen verursachen können, was zur Öffnung von Ionenkanälen führt, wodurch auch der spezifische Prozess der Nervenimpulsübertragung offenbart wird.

Erst dann wurden die physikalischen Gesetze, chemischen Mechanismen und molekularbiologischen Grundlagen der Bioelektrizität vollständig entschlüsselt.

Schematische Darstellung der Natrium- und Kaliumionenkanäle

(Bildquelle: Wikipedia)

Anwendung menschlicher Bioelektrizität

Die Anwendungsmöglichkeiten der Bioelektrizität sind natürlich sehr umfangreich und bieten unbegrenzte Möglichkeiten. Lange bevor der chemische Mechanismus der Bioelektrizität entdeckt wurde, verwendeten Krankenhäuser Elektrokardiogramme, um Patienten auf Herzprobleme zu untersuchen. Aufgrund der Sicherheit und einfachen Handhabung wird die Elektroakupunkturtherapie in Krankenhäusern heute häufig als Ersatz für die traditionelle Akupunktur eingesetzt. Die derzeit beliebte Gehirn-Computer-Schnittstelle hat sich zu einem hochmodernen interdisziplinären Thema entwickelt. Man geht nicht nur davon aus, dass es im medizinischen Bereich eine große Rolle spielen und die physischen und psychischen Traumata der Patienten heilen wird, sondern dass es auch in verschiedenen anderen Bereichen und Szenarien eine unerwartete Rolle spielen wird. Es ist der Schlüssel zur Realisierung unserer Interaktion und sogar Symbiose mit Maschinen.

Musk und sein Neuralink

(Fotoquelle: New Wisdom)

Abschluss

Die Erforschung der Bioelektrizität erstreckt sich über zweihundert Jahre. Es handelt sich um ein Modell multidisziplinärer Forschung, bei dem physikalische und chemische Methoden verwendet werden, um biologische Probleme zu untersuchen und den Mechanismus der Informationsübertragung in Organismen aufzudecken. Es zeigt auch die Rolle der Technologie bei der Förderung des wissenschaftlichen Verständnisses. Wie groß ist die Wirkung von Bioelektrizität? Jedes Ihrer Gefühle, jede Ihrer Bewegungen, jeder Gedanke, dem Sie zustimmen oder den Sie in Frage stellen, während Sie diesen Artikel lesen, hängt mit den elektrischen Impulsen zusammen, die durch den schnellen Transport von Natrium- und Kaliumionen in Ihrem Körper erzeugt werden.

Die Natur nutzt diese geniale Methode, um die Informationsübertragung innerhalb von Organismen zu konstruieren. Obwohl es sehr einfach ist, erzeugt es effektiv Komplexität und Magie und bringt unbegrenzte Möglichkeiten für die Zukunft der Menschheit.

Quellen:

[1] Philip Nelson, Biophysik: Energie, Information, Leben, 2006

【2】John Brockman, Warum die Welt so anmutig und schön funktioniert, 2017