Elektricitet tela

PRIČA O HIDRI

    

    Prometejeva beskrajno obnavljajuća jetra bila je samo vješto mučenje koje je organizovao Zeus kako bi orao poslan kao kazna za božansko donošenje vatre čovječanstvu mogao zauvijek uživati ​​u njegovom najvažnijem organu, priča također sugerira da su pretpovijesni Grci znali nešto o sposobnosti jetre da se uveća kao kompenzacija za nanesenu štetu. 

    Hidra je bilo čudovište koje je Herkul morao ubiti kao svoj drugi zadatak za kralja Euristeja. Zvijer je imala između sedam i stotinu glava, i svaki put kada bi Herkul odsjekao jednu, dvije nove bi niknule na njenom mjestu - sve dok heroj nije došao na ideju da njegov nećak Jolaj spali svaki vrat čim bi glava pala na tlo.

    U osamnaestom stoljeću ime Hidra je dato sićušnoj vodenoj životinji koja je imala sedam do dvanaest "glava" ili pipaka na šupljem tijelu nalik stabljici, jer se ovo stvorenje može regenerirati. Mitska Hidra ostaje simbol te sposobnosti, koju u određenoj mjeri posjeduje većina životinja, uključujući i nas.

    Normalno, slomljena kost će početi da zarasta za nekoliko sedmica ako se krajevi drže blizu jedan drugom bez pomicanja. Međutim, povremeno kost neće moći da se sraste uprkos godini ili više gipsa i operacije. Ovo je katastrofa za pacijenta i gorak poraz za doktora, koji mora amputirati ruku ili nogu i ugraditi protetsku zamjenu.

    Tokom dvadesetog stoljeća, većina biologa bila je sigurna da su u rast i zacjeljivanje uključeni samo hemijski procesi. Kao rezultat toga, većina istraživanja o nesrastanju kostiju koncentrirala se na metabolizam kalcija i hormonske odnose. Hirurzi su također "osvježavali" ili strugali površine prijeloma i osmislili sve složenije ploče i vijke kako bi čvrsto držali krajeve kostiju na mjestu.

FAZE ZACELJIVANJA PRELOMA

    Svaka kost je obavijena slojem čvrstog, fibroznih kolagena, proteina koji je glavni sastojak same kosti i takođe formira vezivno tkivo ili "lepak" koji povezuje sve naše ćelije jedne sa drugima. Ispod kolagenog omotača nalaze se ćelije koje ga proizvode, odmah pored kosti; zajedno ova dva sloja formiraju periost. Kada se kost slomi, ove periostalne ćelije se dele na poseban način. Jedna od ćerki ćelija ostaje na svom mestu, dok druga migrira u krvni ugrušak koji je okružuje lom i pretvara se u tip koji je blisko povezan, osteoblast, ili ćeliju koja stvara kost. Ovi novi osteoblasti grade otečeni prsten kosti, koji se zove kalus (žulj), oko preloma.

    Još jedna operacija popravke odvija se unutar kosti, u njenom šupljem centru, medularnoj šupljini. U detinjstvu koštana srž u ovoj šupljini aktivno proizvodi crvene i bele krvne ćelije, dok se u odraslom dobu većina srži pretvara u masno tkivo. Međutim, neke aktivne ćelije srži ostaju u poroznim naborima unutrašnje površine. Oko preloma formira se novo tkivo od ćelija srži, najlakše kod dece i mladih životinja. Ovo novo tkivo je nespecijalizovano, i ćelije srži ga čine, čini se, ne povećanjem brzine deobe, kao kod ćelija periosta koje formiraju kalus (žulj), već vraćanjem u primitivno, neo-embrionalno stanje. Nespecijalizovane prethodne ćelije srži zatim se pretvaraju u vrstu primitivnih ćelija hrskavice, zatim u zrele ćelije hrskavice, i konačno u nove ćelije kosti da pomognu zaceljenju preloma iznutra. Pod mikroskopom, promene viđene u ćelijama iz ove unutrašnje zone zarastanja, posebno kod dece nedelju ili dve nakon što je kost polomljena, izgledaju neverovatno haotično, i izgledaju zastrašujuće slično ćelijama visokog maligniteta koštanog raka. Ali u većini slučajeva njihova transformacija je pod kontrolom i kost zaceljuje.

    Dr. Marshall Urist, jedan od velikih istraživača u ortopediji, je zaključio početkom 1960-ih da je ovaj drugi tip zarastanja kostiju evolutivni povratak, jedini oblik regeneracije koji ljudi dele sa svim ostalim kičmenjacima. Regeneracija u ovom smislu znači ponovni rast složenog dela tela, koji se sastoji od nekoliko različitih vrsta ćelija, na način koji podseća na prvobitan rast istog dela u embrionu, u kojem se neophodne ćelije diferenciraju iz prostijih ćelija ili čak iz naizgled nesrodnih tipova. Ovaj proces, koji ću nazvati pravom regeneracijom, mora se razlikovati od dve druge forme zarastanja. Jedna, ponekad smatrana vrstom regeneracije, je fiziološko popravljanje, u kojem se male rane i svakodnevno habanje unutar jednog tkiva popravljaju od strane ćelija iste vrste u blizini, koje se jednostavno umnožavaju da bi zatvorile pukotinu. Drugi tip zarastanja se događa kada je rana prevelika za popravku pojedinačnog tkiva, ali životinja nema pravu regenerativnu sposobnost da obnovi oštećeni deo. U tom slučaju, povreda se jednostavno zakrpi najbolje što je moguće pomoću kolagenskih vlakana, formirajući ožiljak. Pošto je prava regeneracija najbliže povezana sa embrionskim razvojem i generalno najjača kod jednostavnih životinja, može se smatrati najfundamentalnijim načinom zarastanja.

BASNA KOJA POSTAJE ČINJENICA

    Regeneracija se dešava stalno u carstvu biljaka. Sigurno je ovo znanje stečeno vrlo rano u istoriji čovečanstva. Osim što zaključavaju svoje buduće generacije u misterioznom semenu, mnoge biljke, kao što su vinova loza, mogu formirati novu biljku iz jednog dela stare. Neki klasični autori su imali naslutiti regeneraciju kod životinja - Aristotel pominje da se oči vrlo mladih lastavica oporavljaju od povrede, a Plinije primećuje da izgubljeni "repovi" hobotnica i guštera ponovo rastu. Međutim, smatralo se da je ponovni rast gotovo isključivo privilegija biljaka.

    Francuski naučnik Rene Antoan Feršol de Reomur napravio je prvo naučno opisivanje regeneracije životinja 1712. godine. Reomur je posvetio čitav svoj život proučavanju „insekata“, što je u to vreme značilo sve beskičmenjake, sve što je očigledno bilo „niže“ od guštera, žaba i riba. U istraživanjima rečnih rakova, jastoga i krabi, Reomur je dokazao tvrdnje bretonskih ribara da ovim životinjama mogu ponovo da izrastu izgubljene noge. On je držao rečne rakove u posudi sa živim mamcem na ribarskom brodu, uklanjajući po jednu kandžu s svakog i posmatrajući da se amputirana ekstremnost pojavila sa svim anatomskim detaljima. Mala replika uda oblikovala se unutar oklopa; kada je oklop odbacen u narednoj sezoni ljuštenja, novi ud se razvijao i rastao do pune veličine.

    Römer je dao toliko doprinosa nauci da je njegova studija regeneracije bila zanemarena decenijama. U to vreme nikoga zapravo nije zanimalo šta ta nevažna stvorenja rade. Međutim, sav rad majstora bio je dobro poznat mlađem prirodnjaku, Abrahamu Trembleju iz Ženeve. Godine 1740, dok je bio zaposleni na imanju u blizini Haga, u Holandiji, Tremblej je pomoću ručne lupe proučavao male životinje koje žive u vodama i bunarima sa svežom vodom. Mnoge je opisao Römer, ali Tremblej je naišao na jedno čudno novo. Nije bilo duže od četvrtine inča i slabo je ličilo na lignju, sa cilindričnim telom okrunjenim krunom pipaka. Međutim, bilo je zapanjujuće zelene boje. Za Trembleja, zeleno je značilo vegetaciju, ali ako je ovo bilo biljka, bila je veoma neobična. Kada bi Tremblej prodrmao vodu u tanjiru, pipci bi se skupljali, a telo bi smočilo do čvorića, samo da bi se ponovo proširilo nakon perioda mira. Najčudnije od svega, video je da stvorenje „hoda“ prevrćući se iz kraja u kraj.

    Pošto su imali sposobnost kretanja, Trembley bi pretpostavio da su ta bića životinje i prešao na druga posmatranja, da nije slučajno naišao na vrstu obojenu u zeleno zbog simbiotskih algi. Da bi razrešio pitanje da li su životinje ili biljke, odlučio je da ih preseče na pola. Ako bi se ponovo razvili, to znači da su biljke sa neobičnom sposobnošću da hodaju, dok ako se ne bi regenerisali, moraju biti zelene životinje.

OTKRIĆE TREMBLEYA: ŽIVOTINJA ILI BILJKA?    

Trembley je uskoro ušao u svet koji je premašio njegova najluđa očekivanja. Podelio je polipe, kako ih je prvobitno nazivao, na sredini njihovih stabljika. Zatim je imao dva kratka dela stabljike, jedan sa prikačenim pipcima, od kojih se svaki skupio u malu tačku. Strpljivo posmatrajući, Trembley je video da se kasnije dva dela šire. Deo sa pipcima počeo je da se kreće normalno, kao da je u pitanju potpuni organizam. Drugi deo je ležao bez pokreta i naizgled mrtav. Nešto je moralo naterati Trembleya da nastavi eksperiment, jer je posmatrao ovaj nepokretni objekat devet dana, tokom kojih se ništa nije događalo.

    On je tada primetio da su na kraju reza izrasla tri mala „roga,“ i u roku od nekoliko dana kompletna kruna pipaka je bila obnovljena. Trembley je sada imao dva kompletna polipa kao rezultat što je jednog presekao na pola! Međutim, iako su se regenerisali, dalja posmatranja su uverila Trembleya da su ta stvorenja zaista životinje. Ne samo da su se kretala i hodala, već su njihove ruke hvatale sitne vodene tačke i prenosile ih do „usta,“ smeštenih u centru prstena pipaka, koja su odmah progutala plen.

    Trembley, tada tek imajuci trideset i jednu godinu, odlučio je da se uveri da je u pravu tako što je ce veliki Reaumur potvrditi njegova otkrića pre nego što ih objavi i eventualno se obrukao. Poslao je uzorke i detaljne beleške Reaumuru, koji je potvrdio da je reč o životinji sa neverovatnim sposobnostima regeneracije. Zatim je odmah pročitao Trembleyeva pisma i pokazao svoje uzorke zadivljenoj Kraljevskoj akademiji početkom 1741. zvanično izveštaj je nazivao Trembleyev polip čudesnijim od feniksa ili mitskog zmijolikog stvora koji se mogao spojiti nakon što je presečen na dva dela, jer se ovi legendarni životinje mogle samo obnoviti, dok je polip mogao napraviti duplikat.

    Ovo je, međutim, bio samo početak. Trembleyevi polipi su radili još čudesnija dostignuća. Kada se preseče po dužini, svaka polovina stabljike zarastala je bez ožiljka i nastavila da ponovo raste nedostajuće pipke. Trembley je samleo neke polipe u što više delova koliko je mogao, otkrivajući da će se iz svakog dela regenerisati kompletna životinja, sve dok je sadržavao ostatak centralne stabljike. U jednom slučaju je isekao na četvrtine jednu od stvorenja, a zatim je svaki dobijeni polip presekao na tri ili četiri dela, sve dok nije napravio pedeset životinja od jedne.

    Njegov najslavniji eksperiment bio je onaj koji ga je naveo da svom polipu da ime "hidra." Otkrio je da, ako preseče glavu po dužini, ostavljajući stabljiku netaknutom, može proizvesti jednog organizma sa dve krune pipaka. Nastavljajući proces, uspeo je da dobije jednog organizma sa sedam glava. Kada bi Trembley odsekao glave, svaka bi ponovo izrasla, baš kao kod mitskog čudovišta. Ali priroda je otišla još korak dalje: Svaka odsečena glava nastavila je da formira potpuno nov organizam.

    Takvi eksperimenti su pružili naš prvi dokaz da čitave životinje mogu da se regenerišu, a Trembley je nastavio da primećuje da hidre mogu da se razmnožavaju jednostavnim pupanjem, mala životinja se pojavljuje sa strane stabljike i raste do pune veličine. Implikacije ovih otkrića bile su toliko revolucionarne da je Trembley odlagao objavljivanje celokupnog izveštaja o svom radu sve dok ga Reaumur nije podstakao i dok ga nekoliko drugih nije preteklo u štampi. Oštra podela između biljaka i životinja iznenada je postala zamućena, sugerišući zajedničko poreklo uz neku vrstu evolucije; osnovne pretpostavke o životu morale su biti preispitane.

Lazzaro Spallanzani

    Najvažniji doprinos Spallanzanija nauci bila je njegova otkrića o regenerativnim sposobnostima daždevnjaka. Može da zameni svoj rep i udove, sve odjednom ako je potrebno. Jedan mladi daždevnjak je izveo ovu veštinu za Spallanzanija šest puta u tri meseca. Kasnije je otkrio da daždevnjak može takođe da zameni vilicu i sočiva svojih očiju, a zatim je ustanovio dva opšta pravila regeneracije: Jednostavne životinje mogu da regenerišu više u odnosu na složene, ili, u modernim terminima, sposobnost regeneracije opada kako se ide gore na evolutivnoj skali. (Daždevnjak je glavni izuzetak.) U ontogenetskom paralelu, ako vrsta može da regeneriše, mlađi pojedinci to rade bolje nego stariji.

    Ova rana istraživanja regeneracije, posebno Spallanzanijeva, bila su prekretnica u modernoj biologiji. Mnogim zoolozima, čak i dvadeset godina nakon Trembleyevog prvog otkrića, nekoliko poznatih izuzetaka samo je potvrđivalo pravilo, jer su hobotnice, rakovi, hidre, crvi i puževi delovali toliko različito od ljudi ili poznatih sisara da se jedva računali. Gušter, jedini drugi poznati vertebrat koji se regeneriše tada, mogao je da obnovi samo nesavršen rep. Ali vodenjača – evo životinje s kojom smo mogli da se povežemo! Ovo nije bio crv, puž ili mikroskopska tačka, već četvoronožna, dvooki vertebrat koji može da hoda i pliva. Iako je njena legendarna sposobnost da izdrži vatru bila opovrgnuta, telo joj je bilo dovoljno veliko, a anatomija dovoljno slična našoj da se ozbiljno shvati. Naučnici više nisu mogli pretpostaviti da osnovni proces nema nikakve veze s nama. Zapravo, pitanja kojima je Spallanzani završio svoje prvo izveštavanje o vodenjači muče biologe do danas: „Da li se može nadati da [više životinje] mogu steći [istu moć] nekim korisnim dispozicijama? i da li bi laskava očekivanja da ovu prednost steknemo za sebe trebalo smatrati u potpunosti iluzornim?“

EMBRION NA RANI

    Regeneracija je u velikoj meri zaboravljena tokom jednog veka. Spalancani je bio toliko temeljit da se malo šta drugo moglo naučiti o tome sa tehnikama tog vremena. Štaviše, iako je njegov rad snažno podržavao epigenesis, njegov uticaj je izgubljen jer je cela debata bila progutana u mnogo većem filozofskom sukobu između vitalizma i mehanicizma. Pošto biologija uključuje proučavanje naše sopstvene suštine, ona je najemocionalnija nauka, i kroz istoriju je bila bojno polje za ove dve tačke gledišta. Ukratko, vitalisti su verovali u duh, zvan anima ili elan vital, koji je živa bića činio fundamentalno različitim od drugih supstanci. Mehanisti su verovali da se život na kraju može shvatiti u terminima istih fizičkih i hemijskih zakona koji upravljaju neživom materijom, i da je samo neznanje ovih sila navodilo ljude da prizivaju takve izmišljotine kao što je duh. Ove ćemo teme razraditi detaljnije kasnije, ali za sada je potrebno samo napomenuti da su vitalisti favorizovali epigenesis, gledajući na njega kao na nametanje reda na haos jajeta od strane neke neuhvatljive „vitalne“ sile. Mehanisti su favorizovali preformaciju. Pošto je nauka sve više insistirala na materijalnim objašnjenjima za sve, epigenesis je izgubio uprkos dokazima regeneracije.

    Radeći na Univerzitetu u Minhenu 1880-ih, Boveri je otkrio gotovo svaki detalj deobe ćelija, uključujući hromosome. Tek izumom elektronskog mikroskopa neko je značajno doprineo njegovim originalnim opisima. Boveri je otkrio da sve aseksualne ćelije bilo koje vrste je sadržavala isti broj hromozoma. Kako je rast napredovao mitoza, ti hromozomi su se delili po dužini da bi napravili po dva od svakog, tako da je svaka ćerka ćelija imala isti broj hromozoma. Jaje i spermatozoid, deleći se posebnim procesom koji se zove meioza, završili su sa tačno polovicom tog broja, tako da bi oplođeno jaje započelo sa punim kompletom, polovina od oca, a polovina od majke. Došao je do očiglednih zaključaka da hromozomi prenose naslednost, i da svaki od njih može zameniti manje jedinice sa svojim parom od drugog roditelja.

    Tomas Hanta Morgan, ugledni embriolog sa Kolumbija univerziteta i prvi američki učesnik u ovoj sagi, snažno je protivio. Kasnije, kada je Morgan otkrio da se rezultati njegovih sopstvenih eksperimenata poklapaju sa Boverijevim, nastavio je da detaljnije opisuje strukturu hromozoma, beležeći specifične položaje, koje je nazvao genima, za nasledne osobine. Tako je nastala nauka genetika, a Morgan je 1933. godine dobio Nobelovu nagradu.

    Iako je Morgan bio najpoznatiji po svojim istraživanjima genetike na mušicama, karijeru je započeo proučavanjem regeneracije udova kod salamandera, o čemu je napravio ključnu zapažanje. Otkrio je da novi ud prethodi masa ćelija koja se pojavljuje na panju i podseća na nespecijalizovanu masu ćelija ranog embriona. Ovu strukturu je nazvao blastema i kasnije je zaključio da je problem kako se regenerisani ud formira identičan problemu kako se embrion razvija iz jajne ćelije.

    Morgan je postulirao da hromozomi i geni sadrže ne samo nasledne karakteristike već i kod za ćelijsku diferencijaciju. Na primer, mišićna ćelija bi se formirala kada bi grupa gena koja određuje mišić bila u akciji. Ova spoznaja je direktno dovela do našeg savremenog razumevanja procesa: U najranijim fazama embriona, svaki gen na svakom hromozomu je aktivan i dostupan svakoj ćeliji. Kako organizam razvija, ćelije formiraju tri rudimentarne tkivna sloja — endoderm, koji se razvija u žlezde i unutrašnje organe; mezoderm, koji postaje mišići, kosti i krvotok; i ektoderm, koji daje kožu, čulne organe i nervni sistem. Neki geni se već na ovom stadijumu gase ili su potisnuti. Kako se ćelije diferenciraju u zrela tkiva, samo jedan specifičan set gena ostaje uključen u svakoj vrsti.

    Svaki set može praviti samo određene tipove glasničke ribonukleinske kiseline (mRNA), hemikalije „izvršnog sekretara“ pomoću koje DNK daje „uputva“ ribozomima (organele ćelije koje funkcionišu kao fabrike proteina) da prave specifične proteine koji razlikuju nervnu ćeliju, na primer, od mišićne ili ćelije hrskavice.

    Postoji površna sličnost između ovog genetskog mehanizma i stare teorije determinera. Ključna razlika je u tome što, umesto da se određivači segregiraju dok ne ostane samo jedan u svakoj ćeliji, geni su represovani dok ne ostane aktivan samo jedan set u svakoj ćeliji. Međutim, čitav genetski plan nosi svako ćelijsko jezgro.

    Postoji ideja da je diferencijacija i dalje „jednosmerna ulica“, da ćelije nikada ne mogu da se dediferenciraju, odnosno da se vrate sa zrelog, specijalizovanog stanja u primitivni, nespecijalizovani oblik. Ova pretpostavka je napravljena uprkos činjenici da hromosomi sada pružaju verovatan način za reverziju. Setite se, sve ćelije odraslog organizma (osim jajne ćelije i spermatozoida) sadrže ceo niz hromosoma. Svi geni su i dalje prisutni, iako je većina njih potisnuta.

    Nakon Morganovog rada na ponovnom rastu udova kod salamandara početkom ovog veka, stotine drugih istraživača proučavale su ovo čudo iznova i iznova kod mnogih vrsta životinja. Njihov rad je otkrio niz opštih principa, kao što su:

• Polaritet. Normalni odnosi prednje i zadnje strane, kao i gornje i donje strane kod stvorenja, očuvani su u regeneratu.

• Gradijenti. Sposobnost regeneracije je najsnažnija u jednom delu tela životinje, postepeno slabeći u svim pravcima.

• Dominacija. Jedan određeni deo izgubljenog dela se prvo zamenjuje, a zatim ostali delovi u određenom nizu.

• Indukcija. Neki delovi aktivno pokreću formiranje drugih delova kasnije u nizu.

• Inhibicija. Prisutnost bilo kog određenog dela sprečava formiranje njegove kopije ili drugih delova koji dolaze pre tog dela u nizu.

    Sva istraživanja su dovela do jednog objedinjavajućeg zaključka: Ukupna struktura, oblik, obrazac bilo koje životinje jednako su stvaran deo njenog tela kao što su njene ćelije, srce, udovi ili zubi.

    Živa bića se nazivaju organizmi zbog prevladavajuće važnosti organizacije, i svaki deo obrasca na neki način sadrži informaciju o tome šta je u odnosu na celinu. Sposobnost ovog obrasca da održi samog sebe dostiže svoj vrhunac kod vodenjaka, muljnih psića i drugih vodozemaca koji se zajedno nazivaju salamanderima.

    Salamander, koji je direktno potomak evolutivnog prototipa svih kopnenih kičmenjaka, je neverovatno složena životinja, gotovo jednako komplikovana kao čovek. Njena prednja šapa je u suštini ista kao naša. Ipak, svi njeni međusobno povezani delovi ponovo rastu u pravilnom redosledu - iste spojene kosti i mišići, sve delikatne kosti zgloba, koordinisani prsti - povezani su na pravi način sa odgovarajućim nervnim i krvnim sudovima.

    Isti dan kada se ud odseče, ostaci mrtvih ćelija se prenose krvotokom. Zatim deo netaknutog tkiva počinje da odumire na kratkom rastojanju od rane. Tokom prva dva ili tri dana, ćelije epidermisa - spoljnog sloja kože - počinju da se množe i kreću prema unutra, pokrivajući površinu rane. Epidermis zatim zadebljava preko vrha panja u prozirno tkivo koje se naziva apikalni poklopac. Ova faza se završava za oko nedelju dana.

    Do tada, blastema, mala kuglica nediferenciranih ćelija koju je opisao Morgan, počinje da se pojavljuje ispod apikalnog poklopca. Ovo je "organ" regeneracije, koji se formira na rani kao mini-embrion i veoma je sličan embrionskom pupoljku uda koji je prvobitno dao nastanak nozi. Njegove ćelije su totipotentne, sposobne da se razviju u sve različite vrste ćelija potrebne za rekonstrukciju uda.

    Blastema je spremna za otprilike dve nedelje. Čak i dok se oblikuje, ćelije na njenoj spoljašnjoj ivici počinju brzo da se dele, menjajući oblik blasteme u konus i obezbeđujući stalni izvor sirovog materijala—novih ćelija—za rast. Nakon otprilike tri nedelje, ćelije blasteme na unutrašnjoj ivici počinju da se diferenciraju u specijalizovane tipove i organizuju se u tkiva, počevši od hrskavičavog ovratnika oko stare kosti. Zatim se formiraju druga tkiva, a nova udovina—počevši od karakterističnog oblika lopatice koja će postati ruka—pojavljue se kao da izlazi iz magle. Lakăt i dugi delovi uda se spajaju iza ruke, i ponovni rast je završen (osim za neko blago povećanje) kada se četiri prsta pojave ponovo nakon otprilike osam nedelja.

    Odgovori su traženi presađivanjem blasteme na druge pozicije životinje. Eksperimenti su samo pogoršali stvari. Ako bi se blastema premestila pet do sedam dana nakon što se prvi put pojavila, i presađivala u blizini zadnje noge, rasla bi u drugu zadnju nogu, iako je poticala sa amputirane prednje noge. Pa, to je bilo u redu. Telo se moglo podeliti na "sfere uticaja" ili "organizacione teritorije", od kojih je svaka sadržala informacije o lokalnoj anatomiji.

    Da stvar bude gora, otkriveno je da transplantacija nešto starijeg blastema iz panja prednje noge u oblast zadnje noge proizvodi prednju nogu. Mlad blastem je znao gde se nalazi; stariji je znao gde je bio! Nekako, ova mala grupa primitivnih ćelija sa apsolutno nijednom razlikujućom karakteristikom sadržala je dovoljno informacija da izgradi kompletnu prednju nogu, bez obzira gde je postavljena. Kako? Još uvek ne znamo.

    Bronsted, danski biolog koji je radio na regeneraciji kod običnih planarija, otkrio je da se dva potpune glave formiraju kada useče traku na sredini prednjeg kraja crva, ostavljajući dva bočna dela originalne glave. Suprotno tome, kada je spojio dva crva jedan pored drugog, njihove glave su se spojile. Bronsted je video analogiju sa plamenom šibice, koji se može preseći sečenjem šibice, a zatim ponovo spojiti stavljanjem dve polovine jedan pored drugog, i predložio je da deo suštine života može biti stvaranje nekog takvog polja nalik plamenu. To bi bilo kao polje oko magneta osim što odražava unutrašnju strukturu magneta i zadržava svoj oblik čak i kada deo magneta nedostaje.

    Ruka salamandre može biti amputirana i zglob zapešća zašiven za telo. Zglob raste u telo, a nervi i krvni sudovi se povezuju kroz novu vezu. Ud sada formira oblik slova U, povezan sa telom na oba kraja. Zatim se amputira na ramenu da bi se napravio obrnuti ud, pričvršćen za telo na zapešću i završavajući sa ramenim zglobom. Ud se zatim regeneriše kao da je jednostavno odsečen na ramenu. Nastali ud izgleda ovako: iz tela niče originalno zapešće, podlaktica, lakat, nadlaktica i rame, nakon čega sledi nova nadlaktica, lakat, podlaktica, zapešće i ruka. Zašto se regenerat ne prilagođava sekvenci koja je već uspostavljena u ovom udu, umesto da sledi što je moguće bliže obrascu tela u celini?

    Informacije, i monumentalna količina njih, jasno se prenose iz tela u blastemu.

    Naš najbolji metod obrade informacija danas je digitalni računar, koji se bavi bitovima podataka, signalima koji, u suštini, kažu ili da ili ne, 1 ili 0. Broj takvih bitova potrebnih da se u potpunosti karakteriše prednja noga daždevnjaka je neizračunljiv, premašujući kapacitet svih poznatih računara koji rade zajedno.

    Deluje razumno da bi razumevanje onoga što izlazi iz blasteme bilo lakše ako bismo razumeli šta ulazi u nju, pa su druga glavna pitanja o regeneraciji oduvek bila: Šta stimuliše formiranje blasteme? I odakle potiču njene ćelije?

    Sada znamo da barem neki tipovi ćelija mogu potpuno da se vrate u primitivno stanje i da je takva despecijalizacija glavni, verovatno jedini, način na koji se blastema formira kod složenih životinja poput salamandera.

Nervne veze

    Drugo važno pitanje o poreklu blasteme je: Šta je pokreće? Najbolji kandidati za „nosioce“ stimulusa su živci. U složenim višestaničnim životinjama ne postoji regeneracija bez nervnog tkiva. Još 1823. godine, engleski amater Tweedy John Todd je otkrio da, ako se živci u nozi salamandere preseku u trenutku amputacije, ud ne bi ponovo izrastao. Zapravo, sam panj bi se smanjio i nestao. Međutim, Todd je dobio normalnu regeneraciju kada je dao živcima vremena da se ponovo povežu pre sečenja noge. Nauka tada nije bila spremna da bilo šta izvuče iz njegove opservacije, ali mnogi eksperimenti kasnije su to potvrdili. Više od jednog veka kasnije, italijanska biologinja Piera Lokateli je pokazala da bi se dodatna noga razvila ako se živac preusmeri tako da se završi blizu netaknute noge. Ona je presekla veliki išijasti živac delimično niz zadnju nogu salamandere, ostavljajući ga pričvršćenog za kičmenu moždinu i pažljivo ga provukla pod kožu tako da njegov kraj dodiruje kožu blizu jedne od prednjih nogu. Tamo je nikla dodatna prednja noga. Kada je postavila završetak nerva blizu zadnje noge, narasla je dodatna zadnja noga. Nije bilo važno gde je nerv trebao da bude; vrsta dodatne strukture zavisila je od ciljnog područja. To je ukazivalo da je neka vrsta energije iz nerava bila prilagođena lokalnim uslovima koji su određivali obrazac onoga što je ponovo raslo.

    Ubrzo nakon toga, drugi istraživači su otkrili da kada su ušivali presađenu kožu pune debljine preko ostataka amputiranih nogu daždevnjaka, dermis, ili unutrašnji sloj kože, delovao je kao barijera između apikalnog kapa i nečeg bitnog u nozi, čime je sprečavao regeneraciju. Ipak, čak i mala praznina u barijeri bila je dovoljna da omogući ponovni rast.

    Početkom 1940-ih ovo otkriće je navelo S. Meril Rouz, tada mladu instruktorku anatomije na Koledžu Smit, da pretpostavi da rapidno formiranje kože pune debljine preko krajeva nogu odraslih žaba može biti ono što im sprečava regeneraciju. Rouz je pokušala da umiva rane u saturisanom rastvoru soli nekoliko puta dnevno kako bi sprečila dermis da preraste preko kraja. Uspela je! Većina žaba, čije su prednje noge bile amputirane između lakta i zgloba, zamenila je deo onoga što su izgubile. Nekoliko njih je ponovo razvilo dobro oblikovane zglobove ruku, a nekoliko je čak počelo da proizvodi i novi prst. Iako zamenjeni delići nisu bili potpuni, ovo je bio izuzetno važan proboj, prvi put da je bilo kakva regeneracija veštački izazvana kod životinje koja normalno nema tu sposobnost. Međutim, dermis je ipak prerastao preko kraja, pa je eksperiment uspeo na neki način koji Rouz nije očekivala.

    Kasnije su drugi istraživači pokazali da je pri normalnoj regeneraciji apikalna kapica, minus dermis, bila važna zato što su se ponovo rastuća nervna vlakna povezivala sa epidermalnim ćelijama u prvoj fazi procesa, pre nego što se pojavi blastema. Ove veze se kolektivno nazivaju neuroepidermalna veza (NEJ). U seriji detaljnih eksperimenata, Čarls Tornton sa Univerziteta Mičigen State je presekao nerve nogu salamandera u različito vreme pre amputacije nogu, a zatim pratio napredak ponovo rastućih nerava. Regeneracija je počinjala samo nakon što su nerve stigle do epidermisa, i mogla je biti sprečena bilo kojom preprekom koja ih deli, ili pokrenuta bilo kakvim oštećenjem te prepreke. Do 1954. godine Tornton je dokazao da je neuroepidermalna veza ključni korak koji mora da se dogodi pre nego što blastema može da se formira i regeneracija počne.

    Ubrzo zatim, Elizabeth D. Hay, anatom koji je tada radio na Medicinskom fakultetu Univerziteta Kornel u Njujorku, proučavala je neuroepidermalnu spojnicu pomoću elektronskog mikroskopa. Otkrila je da, kako bi svaki snop nervnih vlakana došao je do kraja panja, raspao se i svako vlakno je krenulo svojim putem, uvijajući se u epidermis, koji je mogao biti debeo pet do dvadeset ćelija. Svako nervno vlakno formiralo je mali bubrić na svom vrhu, koji je bio postavljen protiv membrane ćelije epidermisa, smeštajući se u mali džep tamo. Raspored je bio veoma sličan sinapsi, iako mikroskopska struktura nije bila tako razvijena kao kod takvih dugotrajnih veza.

    Spojnica je bila samo most, međutim. Važno pitanje je bilo: Koji saobraćaj prelazi preko njega?

    Godine 1946, Lev Vladimirovič Poležaev, mladi ruski biolog koji je tada radio u Londonu, završio je dugu seriju eksperimenata u kojima je izazvao delimičnu regeneraciju kod odraslih žaba, isti uspeh koji je Rouz imao, tako što je svakodnevno ubadao njihove ostatke udova iglom. Poležaev je tada otkrio da širok spektar iritansa proizvodi isti efekat, iako nijedan od njih nije delovao kod sisara. Njegovi eksperimenti su ukazali da pogoršavanje povrede može poboljšati regeneraciju, i pokazali da Rouzov postupak sa solju u rani deluje iritacijom, a ne sprečavanjem rasta derma.

    Zatim je uloga koju je nervno tkivo imalo značajno razjašnjena zahvaljujući Markusu Singeru u briljantnoj seriji eksperimenata na Medicinskoj školi Harvarda od sredine 1940-ih do sredine 1950-ih. Singer je prvo potvrdio dugo zaboravljen rad Todda tako što je presekao nerve u nogama salamandera u raznim fazama ponovnog rasta, dokazujući da su nerve bile potrebne samo u prvoj nedelji, dok se blastema potpuno ne formira i dok se informacija ne prenese. Nakon toga, regeneracija je tekla čak i ako su nerve presečene.

    Nedavna istraživanja su pokazala da salamandra može da zameni svoju nogu ako su svi motorni živci presečeni, ali ne i bez senzornog nerva. Mnogi su tada pretpostavili da je faktor rasta povezan samo sa senzornim nervima, ali Singer je bio nesiguran u vezi sa ovim zaključkom: "Problem je unapred navodio da je jedan ili drugi nervni komponent važan za regeneraciju.". Ipak, nekoliko činjenica nije se uklapalo.

    Ne samo da blastema ne uspeva da se formira kada su svi nervi presečene, nije počeo da se formira čak ni ako je značajan broj, ali i dalje manjina, ostala. Takođe, noga salamandre bi ponovo porasla samo sa motornim nervima ako bi dodatni motorni nervi iz stomaka bili preusmereni u panj. Pored toga, zoolozi su otkrili da senzorni nerv sadrži više vlakana nego motorni nerv.

    Singer je brojao za sebe. U butini ili gornjem delu ruke, senzorna vlakna nadmašivala su motorna u odnosu četiri prema jedan. Odnos je bio još veći na periferiji. Zatim ih je presekao u različitim kombinacijama u dugoj seriji eksperimenata. Regeneracija je funkcionisala sve dok je noga imala otprilike jednu četvrtinu do jednu trećinu svog normalnog nervnog snabdevanja, bez obzira u kojoj kombinaciji. Činilo se da postoji graničan broj neurona (nervnih ćelija) potreban za ponovni rast.

    Ali to nije bilo tako jednostavno. Udovi Xenopusa, južnoameričke žabe jedinstvene po svojoj sposobnosti da se regeneriše tokom odraslog života, imali su nervna vlakna u broju znatno ispod praga. Tako je Singer počeo da meri veličinu neurona i otkrio da Xenopus ima mnogo veće nerve nego žabe koje se ne regenerišu. Još jedan niz eksperimenata je potvrdio vezu: Kritična masa - oko 30 procenata normalnog nervnog tkiva - mora biti netaknuta da bi regeneracija nastupila.

    Ovo otkriće je učinilo prilično sigurnim da šta god da je bilo, nervi nisu prenosili to iz svoje poznate funkcije prenosa informacija nervnim impulsima. Da su nervni impulsi bili uključeni, regeneracija bi trebalo da nestaje postepeno sa sve većim i većim oštećenjima kako su se nervi seckali, umesto da naglo prestaje kada minimalna količina više nije ostala.

    Otkriće Singera takođe je pružilo osnovno objašnjenje za opadanje regeneracije sa rastućom evolutivnom složenošću. Odnos između telesne mase i ukupnog nervnog tkiva je otprilike isti kod većine životinja, ali je sve više nervnog tkiva postajalo koncentrisano u mozgu (proces koji se naziva encefalizacija) kako su životinje postajale složenije. To je smanjilo količinu nervnih vlakana dostupnih za stimulisanje regeneracije u perifernim delovima, često ispod kritičnog nivoa.

U ranim 1950-im, Singer je primenio ono što je naučio na neobnavljajućoj seoskoj odrasloj žabi. Koristeći Locatellijevu metodu, disektovao je išijadični nerv iz zadnje noge, ostavljajući ga pričvršćenog za kičmenu moždinu, i usmerio ga ispod kože prema panju amputirane prednje noge. Za dve ili tri nedelje, formirali su se blastemi, a odsečene noge su bile obnovljene u približno istoj meri kao u eksperimentima Rose i Poležajeva.

    Do 1954. Singer je bio spreman da traži hemikaliju koja podstiče rast, za koju se pretpostavljalo da dolazi iz nerava. Najperspektivnija mogućnost je bio neurotransmiter acetilholin, jedno od nekoliko jedinjenja poznatih po tome što prenose nervne impulse preko sinapsi. Nervi su lučili acetilholin u većoj količini nego normalno tokom formiranja blasteme—upravo onda kada je snabdevanje nervima bilo ključno—i njegova proizvodnja se vratila na normalu kada je obnova bila dobro u toku. Singer je proučavao prethodne neuspehe sa acetilholinom, u kojima su eksperimentatori trljali acetilholin po panju ili ga ubrizgavali u blastemu. Mislio je da su ove metode previše veštačke, pa je izmislio mikroinfuzioni aparat za kontinuirano oslobađanje malih količina acetilholina, baš kao što su nervi činili. Koristio je motor sa satnim mehanizmom da polako kaplje hormon kroz iglu u rame anestetisanog životinja kod koje su nervi noge bili odstranjeni. Imao je problema da održi drogirane salamandre u životu, pa je možda anestetik uticao na ishod, ali čak ni one koje su preživele nisu se uopšte regenerisale. Faktor rasta gotovo sigurno nije bio acetilholin.

Vitalna Električna Energija

    Autor ovog teksta je uživao u Biofiziki, sovjetskom časopisu o biofizici, i upravo tamo je naišao na rad pod naslovom "Priroda varijacije bioelektričnih potencijala u procesu regeneracije biljaka", autora A. M. Sinjukhina sa Državnog univerziteta Lomonosov u Moskvi.

    Sinyukhin je počeo tako što je odsekao jednu granu sa svakog od niza biljaka paradajza. Zatim je merio električne parametre oko rane dok se svaka biljka oporavljala i izbacivala novi izdanak blizu preseka. Otkrio je negativnu struju – tok elektrona – iz rane tokom prvih nekoliko dana. Slična "struja povrede" emituje se iz svih rana kod životinja. Tokom druge nedelje, nakon što se nad ranom formirao kalus i nova grana počela da se razvija, struja je postala jača i promenila polaritet u pozitivan. Važna stvar nije bila polaritet – položaj mernih elektroda u odnosu na referentnu elektrodu često određuje da li će struja biti registrovana kao pozitivna ili negativna. Umesto toga, Sinyukhinov rad je bio značajan zato što je otkrio promenu struje koja je delovala povezano sa reparativnim rastom. Sinyukhin je pronašao direktnu korelaciju između ovih urednih električnih događaja i biohemijskih promena: kako je pozitivna struja rasla, ćelije u tom području su više nego udvostručile svoj metabolički ritam, postajući takođe kiselije i proizvodeći više vitamina C nego ranije.

    Sinyukhin je zatim primenio dodatnu struju, koristeći male baterije, na grupu nedavno odrezanih biljaka, pojačavajući regeneracionu struju. Ove biljke sa podrškom baterije obnovile su svoje grane do tri puta brže od kontrolnih biljaka. Struje su bile veoma male – samo 2 do 3 mikroampera tokom pet dana. (Amper je standardna jedinica električne struje, a mikroamper je milioniti deo ampera.) Veće količine elektriciteta ubijale su ćelije i nisu imale efekat na rast. Štaviše, polaritet je morao odgovarati onom koji se normalno nalazi u biljci.

Kada je Sinyukhin koristio struju suprotnog polariteta, poništavajući vlastiti tok biljke, restitucija je odložena za dve ili tri nedelje.

    Luigi Galvani, profesor anatomije na medicinskom fakultetu Univerziteta u Bolonji, koji je proučavao električnu energiju dvadeset godina, prvi je otkrio struju povrede 1794. godine, ali nažalost to nije znao.

    Jednog dana je primetio da se noge nekih žaba koje je okačio u nizu na svojoj balustradi, čekajući večeru, trzaju kad ih povetarac udari o gvožđe. Otprilike u isto vreme njegova žena Lucia je primetila u njegovoj laboratoriji da se mišići noge žabe stegnu kada asistent slučajno dodirne glavni nerv čeličnim skalpelom u istom trenutku kada iskra iskoči iz jedne od električnih mašina koje su radile preko u sobi. (Jedini poznati oblik elektriciteta tada bio je statički, u obliku iskri sa raznih uređaja za trenje.) Danas znamo da je šireće i skupljajuće električno polje koje je izazvala iskra induciralo trenutnu struju u skalpelu, koja je stimulisala mišić, ali Galvani je verovao da su metalna ograda i skalpel izvukli električnu energiju skrivenu u nervima.

    Galvani je godinama eksperimentisao sa živcima iz žabljih nogu, povezanim u raznim krugovima sa nekoliko vrsta metala. Postao je uveren da je vitalni duh električna struja koja prolazi kroz živce i to je objavio Akademiji nauka u Bolonji 1791. godine.

    U roku od dve godine, Alesandro Volta, fizičar sa Univerziteta u Padovi, dokazao je da je Galvani zapravo otkrio novu vrstu elektriciteta, stalan tok umesto varnica. On je stvorio bi-metalni jednosmerni tok, protok elektrona između dva metala, poput bakarnih kukica i gvozdene ograde sa poznatog balkona za posmatranje, povezane provodnim sredstvom—drugim rečima, baterija. Noge žaba, koje su više-manje bile vrećice slabog rastvora soli, bile su elektrolit ili provodno sredstvo. Inače su bile sporedne, objasnio je Volta, i ne postoji ništa što bi se moglo nazvati Galvanijevom „životinjskom elektricitetom.”

    Njegov jedini odgovor bio je anonimni rad iz 1794. godine u kojem je opisao nekoliko eksperimenata u kojima su se noge žaba mogle naterati da se trzaju bez metala u kolu. U jednoj proceduri, eksperimentator je dodirnuo jedan živac noge sa pažljivo izvađenom, golom kičmenom moždinom žabe, dok je drugu nogu držao da bi kompletirao kolo. Ovde je struja bila prava životinjska električna energija, koja je dolazila iz rane na mestu amputacije pri bazi noge.

    Baron Aleksandar fon Humbolt, istraživač-prirodnjak koji je osnovao geologiju, dokazao je 1797. godine da su Volta i Galvani obojica delimično u pravu. Bimetalne struje su bile stvarne, ali isto tako i spontani elektricitet iz povređenog mesa. Međutim, mehanisti su imali prednost; Galvanijev anonimni izveštaj i Humboltova potvrda su zanemareni.

    Zatim, u 1830-im godinama, profesor fizike u Pizi, Carlo Mateuči, koristeći novoinventovani galvanometar, koji je mogao da meri prilično male jednosmerne struje, došao je do drugih dokaza za životinjsku električnu energiju. U pažljivoj seriji eksperimenata koji su trajali trideset pet godina, on je odlučno dokazao da je struja povrede stvarna. Međutim, nije je pronašao u nervnom sistemu, već je samo zračila sa površine rane, tako da nije mogla biti čvrsto povezana sa vitalnom snagom.

    Priča je dobila drugi tok tokom 1840-ih kada je Emil Du Bois Reymond, student fiziologije u Berlinu, pročitao Matteuccijevo delo. Du Bois-Reymond je pokazao da kada se stimuliše nerv, impulsi putuju njime. Mera je električni impuls, objavio je svoj zaključak da je to masa „elektromotornih čestica“, poput struje u žici. Uskoro se saznalo da impulsi putuju previše sporo da bi bili struja, i da živci ionako nemaju odgovarajuću izolaciju niti otpor da provode struju. Bilo koja prava struja veličine malog izmerenog impulsa ne bi prošla kroz čak ni kratak nerv.

    Julius Bernstein, briljantan učenik Du Boisa-Rejmonda, rešio je zastoj 1868. godine svojom hipotezom o "akcionom potencijalu." Impuls nije bila struja, rekao je Bernstein. Bio je to poremećaj u jonskim svojstvima membrane, i upravo je to ometanje putovalo duž nervnog vlakna, ili aksona.

    Bernsteinova hipoteza je tvrdila da membrana može selektivno filtrirati jone različitih naelektrisanja ka unutrašnjosti ili spoljašnjosti ćelije. (Joni su naelektrisane čestice u koje se so raspada kada se rastvori u vodi; sve soli se u vodi disociraju na pozitivne i negativne jone, kao što su pozitivni natrijum i negativni hloridni joni kuhinjske soli.) Bernštajn je postulirao da membrana može razvrstati većinu negativaca spolja i većinu pozitivaca unutra u vlaknu. Membrana je bila polarizovana (sa grupisanim istim nabojima na jednoj strani), sa transmembranskim potencijalom, jer su negativni naboji, svi na jednoj strani, mogli potencijalno da teku u struji kroz membranu kako bi se postigla ravnoteža sa obe strane. To se dešavalo u kratkom segmentu membrane kad god bi nerv bio stimulisan. Deo membrane je postao depolarizovan, obrćući transmembranski potencijal. Nervni impuls je zapravo bio poremećaj u potencijalu koji putuje duž membrane. Kako se područje poremećaja pomeralo, membrana je brzo vraćala svoj normalni mirujući potencijal. Tako nervni impuls nije bio električna struja, iako se mogao meriti električno.

    Bernsteinova hipoteza je potvrđena u svim važnim aspektima, iako ostaje hipoteza jer još niko nije pronašao šta membrani daje energiju da pumpa sve te jone napred-nazad. Uskoro je, međutim, proširena da uključi objašnjenje struje povrede. Razmišljajući da sve ćelije imaju transmembranske potencijale, Berstein je tvrdio da oštećene ćelijske membrane nakon povrede jednostavno propuštaju svoje jone u okolinu. Dakle, struja povrede više nije bio znak da je elektricitet centralan za život, već samo nezanimljiv sporedni efekat oštećenja ćelija.

    Vitalisti, sa svojim nadama vezanim za električnu energiju, stalno su bivali gurnuti u sve uže i uže ćoškove pošto je električna energija uklanjana iz jednog dela tela za drugim. Njihov posljednji otpor dogodio se sa otkrićem neurotransmitera. Održavali su da samo električna struja može da preskoči sinapsu, jaz između komunicirajućih nerava. 1920. godine ta ideja je opovrgnuta divnim eksperimentom Otta Loevija, istraživačkog profesora na Medicinskoj školi NYU.

    Biolozi su otkrili da srce žabe nastavlja da kuca nekoliko dana kada se ukloni zajedno sa svojim živcima i stavi u odgovarajuće rastvor. Stimulisanjem jednog od živaca, ono bi se usporilo. Kao što je učinio Loewi, mi smo uzeli jedno takvo srce sa pripadajućim živcem i stimulisali živac, usporavajući otkucaje. Zatim smo sakupili rastvor u kome je to srce bilo i stavili drugo srce u njega. Njegovi otkucaji su se usporili iako njegov depresorni živac nije bio stimulisan. Očigledno, živac je usporavao otkucaje srca proizvodnjom hemikalije koja je prešla preko praznine između kraja živca i mišićnog vlakna. Ova hemikalija je kasnije identifikovana kao acetilholin, a Loewi je nagrađen Nobelovom nagradom 1936. godine za ovo otkriće. Njegov rad je doveo do nestanka poslednjeg traga električnog vitalizma. Nakon toga, svaka funkcija nervnog sistema morala je biti objašnjena na osnovu Bernsteinove hipoteze i hemijskog prenosa preko sinapse.

    S velikim strahopoštovanjem sam, stoga, prihvatao bilo kakvu vjeru u Sinyukhinovo izvješće da jačina struje povrede utiče na regeneraciju kod njegovih biljaka. U tom trenutku nisam bio svestan matteuccijevog zaboravljenog rada, ali nešto mi je kliknulo u umu dok sam proučavao eksperimente Rosea i Polezhaeva. U oba slučaja, definitivno kod Polezhaeva i verovatno kod Rosea, regeneracija je bila stimulisana povećanjem povrede.

    1958. godine A. V. Žirmunskog sa Instituta za citologiju u Leningradu, je proučavao struju povrede u mišiću zadnje noge krupne žabe. Ovaj mišić je lep i dug, lak za rad, i sadrži grane iz nekoliko različitih nerava. Napravio je standardnu povredu u svakom mišiću, izmerio struju povrede, a zatim presekao grane nerava jednu po jednu, beležeći efekat na struju. Ona se smanjivala sa svakim narednim presekom nerava. Struja povrede bila je proporcionalna količini nerava.

    U Matteuccijevoj izvanrednoj seriji posmatranja ne samo da je dokazao da je struja povrede stvarna, već je pokazao da varira u proporciji sa težinom rane.

Sumiranje zapažanja u maloj matrici:

• Obim povrede je proporcionalan regeneraciji
• Količina nerva je proporcionalna regeneraciji
• Obim povrede je proporcionalan struji povrede
• Količina nerva je proporcionalna struji povrede
• Ergo: struja povrede je proporcionalna regeneraciji

    Struja povrede nije bila sporedna pojava i to je prvo mesto gde treba tražiti tragove faktora koji kontrolišu rast i stimulišu dediferencijaciju.

Znakovi čuda

    Tokom celog vremena dok se Bernštajnova hipoteza koristila da bi se objasnila struja povrede, niko nikada nije pomislio da izmeri struju tokom perioda od nekoliko dana da vidi koliko dugo traje. Ako su u pitanju samo joni koji cure iz oštećenih ćelija, trebalo bi da nestanu za dan ili dva, kada te ćelije završe sa umiranjem ili popravkom.

    Gde postaviti elektrode. Da bi se formirao krug, dve elektrode su morale da dodiruju životinju. Jedna je bila "vruća" ili mernа elektroda, koja je određivala polaritet, pozitivan ili negativan, u odnosu na stacionarnu referentnu elektrodu. Negativan polaritet je značio da ima više elektrona na mestu gde je postavljena merna elektroda, dok je pozitivan polaritet značio da ih ima više na mestu referentne elektrode. Stalna preovlađujuća negativna promena na određenoj lokaciji mogla je da znači da postoji struja koja teče ka tom mestu, stalno dopunjavajući akumulaciju elektrona. Postavljanje referentne elektrode, stoga, bilo je ključno, da ne bih dobio tačno napon ali pogrešan polaritet, a samim tim i pogrešan pravac struje. Morala je biti izabrana neka logična pozicija i korišćena svaki put. Pošto sam pretpostavio da su nervi na neki način povezani sa strujom, ćelijska tela koja šalju svoja nervna vlakna u ud su se činila dobrim referentnim tačkama. Ta ćelijska tela su se nalazila u delu kičmene moždine koji se naziva brachialno proširenje, smeštenom odmah prema glavi od mesta gde se ruka spajala sa telom. Zarad toga, i kod žaba i kod salamandera sam postavio mernu elektrodu direktno na presečenu površinu stuba amputacije, a referentnu elektrodu na kožu preko brachialnog proširenja.

    Nakon postavljanja opreme, izvršio sam neka preliminarna merenja na netaknutim životinjama. Sve su imale oblasti pozitivnog naelektrisanja na uvećanju brahija i negativno naelektrisanje od oko 8 do 10 milivolti na svakoj ekstremitetu, što sugeriše tok elektrona od glave i trupa prema udovima i, kod salamandara, prema repu.

    Pravi eksperiment započeo sam tako što sam odsekao desne prednje šape, između lakta i zgloba, kod četrnaest salamandara i četrnaest običnih žaba, sve pod anestezijom. Nisam preduzimao posebne mere protiv krvarenja, jer se krvni ugrušci formiraju veoma brzo. Rane su morale ostati otvorene, ne samo zato što bi zatvaranje kože preko mesta amputacije kod salamandara zaustavilo regeneraciju, već i zato što sam istraživao prirodan proces. U divljini, i žabe i salamandri dobijaju povrede slične onima koje sam ja izazivao - obe su omiljena hrana svežovodnih basa - i zarastaju ih bez hirurga.

    Kada je anestezija prestala da deluje i kada se formirao krvni ugrušak, uzeo sam očitavanje napona sa svakog panja. Bio sam iznenađen što sam otkrio da se polaritet na panju obrnuto promenio u pozitivan odmah nakon povrede. Do sledećeg dana popeo se na preko 20 milivolta, isto kod žaba i salamandera.

    Svaki dan sam pravio merenja, očekujući da ću videti kako napon kod salamandara raste iznad onog kod žaba dok se blastemi formiraju. Nije tako funkcionisalo. Snaga struje koja je tekla sa mesta amputacije salamandara brzo je opala, dok je kod žaba ostala na početnom nivou. Do trećeg dana salamanderi nisu pokazivali nikakvu struju, a njihovi blastemi nisu ni počeli da se pojavljuju.

    Eksperiment je delovao kao neuspeh. Skoro sam odustao odmah, ali nešto me je nateralo da nastavim sa merenjem. Pretpostavljam da sam mislio da će to biti dobra vežba.

    Zatim, između šestog i desetog dana pojavio se uzbudljiv trend. Potencijali kod daždevnjaka ponovo su promenili znak, premašujući svoju normalnu napon i dostigavši vrhunac od više od 30 milivolti negativno, upravo kada su blasteme počele da se pojavljuju. Žabe su i dalje mrzovoljno funkcionisale sa polako opadajućim pozitivnim naponima. Kako su se udovi daždevnjaka regenerisali, a panjevi žaba zarastali kožom i ožiljnim tkivom, obe grupe udova su postepeno vraćale (iz suprotnih pravaca) na originalnu osnovnu vrednost od 10 milivolti negativno.

    Sada sam znao struja povrede nije bila zbog ćelija koje odumiru, koje su do tada već odavno nestale. Štaviše, suprotni polariteti ukazivale su na duboku razliku u električnim svojstvima dve životinje, što bi na neki način objasnilo zašto je samo salamandra mogla da se regeneriše. Negativni potencijal je izgledalo izazivao pojavu od suštinskog značaja blastemu. To je bila veoma značajna opservacija, iako su činjenice donekle poremetile moju urednu hipotezu.

    Već neko vreme sam pretraživao prašnjave police medicinske biblioteke tražeći prethodne radove o bioelektričnosti, i sada sam pronašao rad napisan 1909. godine od strane američkog istraživača po imenu Owen E. Frazee. On je izvestio da električne struje koje prolaze kroz vodu u akvarijumu u kojoj su živele larve daždevnjaka ubrzavaju njihovu regeneraciju. U to vreme, električna oprema je bila tako primitivna da nisam mogao da se oslonim na Frazeejeve rezultate, ali sam odlučio da to probam sam. Ono što je Sinyukhin uradio sa paradajz biljkama, nadao sam se da ću uraditi sa daždevnjacima.

    Jednoj grupi salamandera davao sam 2 mikroampera pozitivne struje iz baterija direktno spojene na panjeve pet do deset minuta svakog od prvih pet dana nakon amputacije. To je bilo 0,000002 ampera, mala struja po uobičajenim standardima (većina kućnih kola nosi 15 ili 20 ampera), ali uporediva sa onim što je izgledalo da protiče kroz ud. Namera mi je bila da ojačam normalni pozitivni vrh u struji povrede. Ova terapija činila se da povećava blasteme, ali je donekle usporavala ceo proces. Drugoj grupi primenjivao sam 3 mikroampera negativne struje petog do devetog dana, kada su normalne struje dostizale svoje negativne vrhove. Ovo je izgledalo da povećava stopu ponovnog rasta jednu nedelju, ali nije menjalo vreme potrebno za potpunu obnovu uda. Konačno sam probao Frazee-ovu metodu sa konstantnom strujom kroz vodu u akvarijumu. Opet, rezultati su u najboljem slučaju bili dvosmisleni. Ovi neuspesi su me naučili da, pre nego što primenim svoja otkrića na druge životinje, moram da naučim kako funkcioniše struja povrede.

Životni potencijal

    Sve što je električno potiče iz fenomena naelektrisanja. Niko zapravo ne zna tačno šta to jeste, osim što se može reći da je to osnovno svojstvo materije koje postoji u dve suprotne forme, ili polariteti, koje proizvoljno nazivamo pozitivnim i negativnim. Proton, koji je jedna od dve glavne vrste čestica u atomskom jezgru, je pozitivan; druge čestice, neutroni, tako su nazvani jer nemaju naelektrisanje. Oko jezgra orbitiraju elektroni, u istom broju kao protoni unutar jezgra. Iako je elektron 1.836 puta manje mase od protona, elektron nosi jednaku, ali suprotnu (negativnu) naelektrisanje. Zbog svoje lakoće i svoje pozicije izvan jezgra, elektroni se mnogo lakše izbacuju iz atoma nego protoni, pa su oni glavni nosioci električnog naelektrisanja. Za laika, negativno naelektrisanje se može smatrati viškom elektrona, dok se pozitivno naelektrisanje može smatrati manjkom istih. Kada se elektroni pomere iz neke oblasti, ona postaje pozitivno naelektrisana, a oblast u koju se pomeraju postaje negativna.

    Tok elektrona se naziva struja i meri se u amperima, jedinicama nazvanim po francuskom fizičaru iz ranog XIX veka, Andreu Mariju Amperu. Jednosmerna struja je više-manje ravnomerni tok, za razliku od trenutnog pražnjenja statičkog elektriciteta kao što su varnice ili munja, ili napred-nazad toka naizmenične struje koja napaja većinu naših aparata.

    Pored količine naelektrisanja koja se pomera, struja ima još jednu karakteristiku važnu za našu priču – svoju elektromotornu silu. To se može vizualizovati kao "guranje" iza struje, i meri se u voltima (nazvanim po Alessandru Volti).

    U srednjoj školi većina nas je naučila da struja teče samo kada je izvor elektrona (negativno naelektrisani materijal) povezan sa materijalom koji ima manje slobodnih elektrona (pozitivno naelektrisan u odnosu na izvor) kroz provodnik, kroz koji elektroni mogu da teku. To je ono što se dešava kada povežete negativni pol baterije sa njenim pozitivnim polom žicom ili unutrašnjim delovima radija: zatvorili ste strujni krug između negativnog i pozitivnog pola. Ako nema provodnika, a samim tim ni kruga, postoji samo hipotetički tok naelektrisanja, ili električni potencijal, između ta dva područja. Sila ove latentne struje se takođe meri u voltima.

    Potencijal može nastaviti da se nakuplja dok nasilni izboj struje ne izjednači naelektrisanja; to se dešava kada udari grom. Međutim, manji potencijali mogu ostati stabilni. U tom slučaju oni moraju biti stalno snabdeveni istosmernom strujom koja teče od pozitivnog prema negativnom, suprotno od normalnog pravca. U ovom delu kola, elektroni zapravo teku od mesta gde ih je malo ka mestu gde ih ima više. Kao što je Volta otkrio, takav tok se generiše unutar baterije usled električne interakcije dva metala.

    Električno polje se formira oko bilo kog električnog naelektrisanja. To znači da će bilo koji drugi naelektrisani objekat biti privučen (ako su polariteti suprotni) ili odbačen (ako su isti) na određenoj udaljenosti oko prvog objekta. Polje je oblast prostora u kojoj se može detektovati električni naboj, i meri se u voltima po jedinici površine.

    Električna polja moraju se razlikovati od magnetnih polja. Kao i elektricitet, magnetizam je slabo shvaćena unutrašnja osobina materije koja se manifestuje u dve polariteta. Bilo koji protok elektrona stvara kombinovano električno i magnetno polje oko struje, koje zauzvrat utiče na druge elektrone u blizini. Oko jednosmerne struje elektromagnetno polje je stabilno, dok polje naizmenične struje kolabira i ponovo se pojavljuje sa obrnutim polovima svaki put kada struja menja smer. Ovo preokretanje se dešava pedeset puta u sekundi (50Hz) u našim normalnim kućnim strujama. Baš kao što struja proizvodi magnetno polje, magnetno polje, kada se kreće u odnosu na provodnik, indukuje struju. Svako promenljivo magnetno polje, kao ono oko kućnih aparata, stvara struju u okolnim provodnicima. Slaba magnetna polja o kojima ćemo govoriti mere se u gausima, jedinicama nazvanim po nemačkom pioniru iz devetnaestog veka u proučavanju magnetizma, Karlu Fridrihu Gausu.

    I električna i magnetska polja su ustvari samo apstrakcije koje su naučnici izmislili kako bi pokušali da razumeju dejstvo elektriciteta i magnetizma na daljinu, proizvedeno bez ikakvog poznatog posrednog materijala ili energije, fenomen koji se nekada smatrao nemogućim dok nije postao neosporan. Polje se predstavlja linijama sile, još jednom apstrakcijom, kako bi se naznačio njegov pravac i oblik. Obe vrste polja slabe sa udaljenošću, ali njihov uticaj je tehnički beskonačan: svaki put kada koristite svoj toster, polja oko njega blago poremete naelektrisane čestice u najudaljenijim galaksijama (UPITNO?).

    Pored toga, postoji ceo univerzum pun elektromagnetne energije, zračenja koje nekako izgleda da je istovremeno i talasi u elektromagnetnom polju i čestice. Ono postoji u spektru talasnih dužina koji uključuje kosmičke zrake, gama zrake, X zrake, ultraljubičasto zračenje, vidljivu svetlost, infracrveno zračenje, mikrotalasne i radio talase. Zajedno, elektromagnetna polja i energije međusobno deluju na mnoge složene načine koji su doveli do nastanka velikog dela prirodnog sveta, da ne pominjemo celu tehnologiju elektronike.

Nepopularna nauka

    Prema mišljenju većine biologa oko 1960. godine, nijedna od ovih stvari nije imala najmanju relevantnost za život. Velika procena američke medicine, finansirana od strane Karnegi fondacije i objavljena 1910. godine od strane uglednog edukatora Abrahama Flexnera, osudila je kliničku upotrebu električnih šokova i struja, koje su se često preterano primenjivale kod mnogih bolesti od sredine 1700-ih. Elektroterapija je ponekad delovala, ali niko nije znao zašto, a stekla je lošu reputaciju zbog mnogih šarlatana koji su je iskorišćavali. Njeni legitimni pristalice nisu imali naučni način da je brane, pa su reforme u medicinskom obrazovanju koje su usledile nakon Flexnerovog izveštaja uklonile svaku pominjanje iste iz učionica i klinika, baš dok su poslednji ostaci vere u vitalnu električnu energiju bili pročišćeni iz biologije otkrićem acetilholina. Ovaj razvoj se lepo uklopio sa rastućim znanjem iz biohemije i sve većim oslanjanjem na proizvode farmaceutske industrije. Penicilin je kasnije učinio medicinu gotovo isključivo orijentisanom na lekove.

    U međuvremenu, rad Faradaya, Edisona, Markonija i drugih je bukvalno elektrifikovao svet. Kako su se upotrebe električne energije množile, niko nije primećivao nikakve očigledne efekte na živa bića osim šoka i zagrevanja izazvanih velikim strujama. Do 1920-ih, nijedan naučnik sa namerom da ima uglednu karijeru nije se usuđivao da sugeriše da je život na bilo koji način električan.

    Postojale su dve grupe disidenata, ali pošto njihov rad nije bio uzet u obzir, svaka od njih je uglavnom bila nesvesna postojanja one druge. Jedna linija istraživanja započela je odmah posle prelaza u novo stoleće kada se saznalo da su hidre električno polarizovane. Glava je utvrđena kao pozitivna, a rep kao negativan. Već sam spomenuo Frazeeovo izveštavanje iz 1909. godine o regeneraciji salamandera poboljšanoj električnim strujama. Zatim, klasičnom serijom eksperimenata početkom 1920-ih, Elmer J. Lund sa Univerziteta u Teksasu otkrio je da polaritet regeneracije kod vrsta srodnih hidri može biti kontrolisan, pa čak i obrnuto određen malim direktnim strujama koje se puštaju kroz telo životinje. Struja dovoljno jaka da prekoračI normalne polariteta stvorenja moglo bi uzrokovati formiranje glave tamo gde je trebalo da se ponovo pojavi rep, i obrnuto. Drugi su potvrdili ovo otkriće, a Lund je nastavio da proučava jaja i embrione. Tvrdio je da je uticao na razvoj jaja žaba ne samo pomoću struja već i magnetskih polja, što je bila zaista rizičan zaključak za to vreme.

    Podstaknut radovima Lunda, Harold Saxton Burr sa Yalea počeo je da postavlja elektrode na sve vrste stvorenja. Burr je imao sreće što je imao forum za svoj rad. Bio je urednik časopisa Yale Journal of Biology and Medicine, u kojem se pojavilo većina njegovih izveštaja; malo koji drugi časopis bi ih prihvatio. Burr i njegovi saradnici su otkrili električna polja oko, i električne potencijale na površinama, organizama toliko raznovrsnih kao što su crvi, hidre, salamandri, ljudi, drugi sisari, pa čak i sluzaste plesni. Mereni su promene u tim potencijalima i povezivali su ih sa rastom, regeneracijom, formiranjem tumora, efektima lekova, hipnozom i snom. Burr je tvrdio da je merio promene polja usled ovulacije, ali su drugi došli do suprotnih rezultata. Povezivao je svoje voltmetre sa drvećem godinama i otkrio da njihova polja variraju ne samo kao odgovor na svetlost i vlagu, već i na oluje, sunčeve pege i faze Meseca.

    Burr i Lund su bili ograničeni svojim instrumentima kao i istraživačkom klimu. Veći deo njihovog rada obavljen je pre Drugog svetskog rata i, iako je Burr proveo godine dizajnirajući najsenzitivnije uređaje moguće korišćenjem vakuumskih cevi, merni instrumenti su i dalje bili previše „bučni“ da bi pouzdano merili sitne struje u živim bićima. Dva naučnika su mogli da preciziraju svoja zapažanja samo toliko da bi otkrili jednostavnu dipolarnu raspodelu potencijala, pri čemu je glava većine životinja bila negativna, a rep pozitivan.

    Burr i Lund su izneli slične teorije o elektrodinamičkom polju, koje je Burr nazivao poljem života ili L-poljem, a koje zadržava oblik organizma baš kao što kalup određuje oblik žele poslastice. "Kada sretnemo prijatelja kojeg nismo videli šest meseci, ne postoji ni jedan molekul na njegovom licu koji je bio tu kada smo ga poslednji put videli", napisao je Burr. "Ali, zahvaljujući njegovom kontrolnom L-polju, novi molekuli su se smestili u stari, poznati obrazac i možemo prepoznati njegovo lice."

    Burr je verovao da greške na polju mogu otkriti latentne bolesti, baš kao što udubljenja u kalupu izlaze na želeu. Tvrdio je da je sposoban da predvidi sve vrste stvari o emocionalnom i fizičkom zdravlju osobe, kako sadašnjem, tako i budućem, samo proveravajući napon između glave i ruke. Njegova kasnija dela bila su narušena vrstom bioelektričnog determinizma i tendencijom da zbuni "zakon i red" u prirodi sa tim odvratnim eufemizmom kako ga propovedaju predsednici. Kao rezultat toga, počeo je da predlaže svoja jednostavna očitavanja kao nepogrešiv način za procenu kandidata za posao, vojnika, mentalnih pacijenata i osumnjičenih kriminalaca ili disidenata.

    Polja koja su Burr i Lund otkrili bila su zapravo previše jednostavna da bi objašnjavala udove salamandera ili ljudsko lice. Biološko znanje u to vreme nije im pružalo teorijski okvir da objasne odakle potiču njihova polja. Zamislili su tokove unutar ćelija, ali nisu imali dokaze. Nisu ni slutili da tokovi mogu prolaziti kroz specifična tkiva ili kroz tečnosti izvan ćelija. Predložili su da se svi ti mali unutrašćelijski tokovi nekako sabiraju i čine celo polje. Burr je napisao da 'električna energija predstavlja fundamentalnu osobinu protoplazme i izraz je ili mera prisustva elektrodinamičkog polja u organizmu.' Nažalost, analiza ove rečenice daje besmislicu, i Burr-ov rad je odbačen kao magloviti vitalizam. Lund je imao istu sudbinu. Nikome nije palo na pamet da proveri da li su merenja koja su napravili validna. Uostalom, možete se ne slagati sa teorijom, ali treba da poštujete podatke dovoljno da ih proverite. Ako ne možete da ih ponovite, imate pravo da budete mirni sa sopstvenim konceptima, ali ako dobijete iste rezultate, dužni ste da se složite ili predložite alternativnu teoriju. Većina naučnika je ipak uzela lakši put i jednostavno ignorisala Burra i Lunda. Njihova otkrića ostala su malo poznata, i većina biologa nije ih povezivala sa privremenim konceptom morfogenetskog polja regeneracije.

    Zatim je 1952. godine Lundov rad preuzeo G. Marsh i H. W. Beams koristeći planariju. Otkrili su da se polaritet ravnog crva, poput hidre, može kontrolisati provođenjem struje kroz njega. Kada je kroz deo crva ispravno sproveden jednosmerni tok, normalni polaritet je nestajao i na svakom kraju se formirala glava. Kako se jačina struje povećavala, polaritet dela se obrnuo; glava je ponovo izrasla pozadi, a rep napred. Pri višim naponima, čak i netaknuti crvi su se potpuno reorganizovali, pri čemu je glava postajala rep i obrnuto. Marsh i Beams su se uverili da je električno polje životinje morphogenetski organizacioni princip. Ipak, njihov rad je takođe bio ignorisan, osim od strane Meryla Rosea, koji je sugerisao da gradacija električnog naboja od napred ka nazad kontroliše gradijent inhibitora i stimulatora rasta. Predložio je da su jedinjenja za rast naelektrisane molekule koje se pomeraju na različita mesta u telu kroz električno polje, u zavisnosti od količine i znaka njihovog naboja i njihove molekulske mase.

Podstruje u neurologiji

    Prva zabeležena upotreba struja na nervni sistem bila je od strane Džovani Aldinija, nećaka Galvanija i strastvenog zagovornika vitalizma. Koristeći baterije svog arhi-neprijatelja Volte, Aldini je tvrdio da je postigao izvanredan uspeh u olakšavanju astme. Takođe je izlečio čoveka koji bi danas verovatno bio dijagnostikovan kao šizofren, iako je nemoguće znati koliko je koristi došlo od struja, a koliko od jednostavne pažnje, koja je tada bila toliko retka u lečenju mentalnih bolesti. Neki od Aldinijevih eksperimenata bili su groteskni - pokušao je da oživi nedavno pogubljene kriminalce čineći da leševi grče pomoću struje - ali njegova ideja da spoljašnja struja može nadoknaditi vitalnu snagu iscrpljenih nerava postala je osnova za čitav vek elektroterapije.

    Moderne studije živaca i električne struje počele su 1902. godine, kada je francuski istraživač Stephane Leduc prijavio uspavljivanje životinja prolaskom prilično jakih naizmeničnih struja kroz njihove glave. Čak je nekoliko puta sebe bacio u nesvest ovom metodom. (Govori o posvećenosti nauci!) Nekoliko drugih istraživača su nastavili da rade na ovom pravcu 1930-ih i razvili tehnike elektrošoka i elektro-narkoze. Terapeutska vrednost korišćenja velikih struja za izazivanje konvulzija je sve više bila osporavana, sve do danas kada se uglavnom koristi za smirivanje neukrotivih psihotičnih osoba i političkih nekonformista. Elektro-narkoza – indukcija sna prolaskom malih struja kroz glavu od slepoočnica do slepoočnica – široko se koristi od strane legitimnih terapeuta u Francuskoj i Sovjetskom Savezu. Ruski lekari tvrde da njihova elektroson tehnika, koja koristi elektrode na kapcima i iza ušiju da provodi slabe jednosmerne struje pulsirajuće na frekvencijama umirujućih moždanih talasa, može pružiti benefite punog noćnog sna za dva ili tri sata. Još uvek postoji mnogo sporova oko toga kako obe tehnike funkcionišu, ali od samog početka se nije moglo poreći da struje imaju dubok efekat na nervni sistem.

    U drugoj i trećoj deceniji ovog veka postojalo je veliko interesovanje za galvanotaksu, ideju da jednosmerne struje usmeravaju rast ćelija, posebno neurona. Godine 1920, S. Ingvar je otkrio da se vlakna koja rastu iz tela nervnih ćelija poravnavaju sa obližnjim tokom struje i da su vlakna koja rastu ka negativnoj elektrodi različita od onih koja rastu ka pozitivnoj. Paul Weiss je ubrzo "objasnio" ovo heretičko zapažanje kao artefakt izazvan istezanjem supstrata ćelijske kulture usled kontakta sa elektrodom. Čak i nakon što su Marsh i Beams dokazali da je Weiss pogrešio 1946. godine, prošlo je još mnogo godina dok naučna zajednica nije prihvatila činjenicu da se nervna vlakna zaista orijentišu duž toka struje. Danas je moguće korišćenje električne struje za usmeravanje rasta nerava jedna od najuzbudljivijih perspektiva u istraživanjima regeneracije.

    Bernsteinova hipoteza, nesposobna da objasni ove činjenice, pokazala se kao nedovoljna u nekoliko drugih aspekata. Za početak, prema teoriji, impuls bi trebalo da putuje podjednako lako u oba pravca duž nervnog vlakna. Ako se nerv stimuliše u sredini, impuls bi trebalo da putuje u oba pravca do suprotnih krajeva. Umesto toga, impulsi putuju samo u jednom pravcu; u eksperimentima se mogu naterati da putuju "uzvodno", ali samo uz veliki napor. Ovo možda ne deluje kao velika stvar, ali je vrlo značajno. Nešto izgleda polarizuje nerv.

Bernsteinova hipoteza o strujama u nervima, poznata i kao membranska teorija (objavljena 1902. godine), koju je postavio Julius Bernstein, prva je teorija koja je uspešno objasnila bioelektrične potencijale u nervima i mišićima na osnovu fizičko-hemijskih principa.

Ova teorija je postavila temelj za razumevanje nervnih impulsa (akcionog potencijala) i počivala je na tri ključne postavke:

1. Stanje mirovanja (Potencijal mirovanja)

• Selektivna propustljivost: Bernstein je pretpostavio da je membrana nervne ćelije u stanju mirovanja propustljiva samo za kalijumove jone (K+), dok je nepropustljiva za ostale jone (npr. natrijum).
• Koncentracioni gradijent: Unutar nervne ćelije koncentracija K+ jona je znatno veća nego izvan nje.
• Difuzija i negativnost: Zbog razlike u koncentraciji, K+ joni izlaze iz ćelije. Kako pozitivni joni odlaze napolje, unutrašnjost membrane postaje negativno naelektrisana u odnosu na spoljašnju stranu.
• Efekat: Ovo stvara potencijal mirovanja od oko -60 do -70 mV.

2. Stanje aktivnosti (Akcioni potencijal)

• Rušenje membrane: Kada je nerv stimulisan, Bernstein je hipotezirao da membrana privremeno gubi svoju selektivnost i postaje propustljiva za sve jone.
• Depolarizacija: Zbog ove povećane propustljivosti, joni slobodno difunduju, što dovodi do trenutnog nestanka (ili značajnog smanjenja) razlike u potencijalu (depolarizacija).
• "Negativna varijacija": Tokom impulsa, negativnost unutrašnjosti nestaje, a potencijal se približava nuli.

3. Proširenje impulsa

• Lokalne struje: Depolarizovani deo membrane (nula) postaje elektronegativan u odnosu na susedne, još uvek polarizovane delove, što dovodi do stvaranja lokalnih struja koje pokreću talas depolarizacije duž nerva.

Značaj i ograničenja

• Značaj: Bernsteinova teorija je ispravno identifikovala ulogu K+ jona i mehanizam lokalnih struja, a zasnovana je na Nernstovoj jednačini za difuzione potencijale.
• Ograničenja (ispravke kasnije): Bernstein je verovao da se potencijal tokom impulsa samo spušta na nulu, dok su kasnija istraživanja (Cole, Curtis, Hodgkin) pokazala da dolazi do preokreta potencijala (overshoot), gde unutrašnjost postaje pozitivna zbog priliva natrijumovih jona N+, a ne samo zbog gubitka selektivnosti.

Uprkos jednostavnosti, Bernsteinova teorija se smatra prekretnicom u elektrofiziologiji.

    Još jedan problem je činjenica da, iako su nervi suštinski za regeneraciju, akcioni potencijali su tihi tokom procesa. Nikakvi impulsi nikada nisu pronađeni da su povezani sa ponovnim rastom, a neurotransmiteri poput acetilholina su isključeni kao stimulatori rasta.

    Pored toga, impulsi uvek imaju istu jačinu i brzinu. To možda ni ne izgleda kao tako velika stvar, ali razmislite o tome. To znači da nerv može preneti samo jednu poruku, kao 1 ili 0 u digitalnom računaru. To je u redu za jednostavne stvari poput kolenskog refleksa. Kada doktorov gumeni čekić udari vašu koleno, on zapravo udara u patelarnu tetivu, dajući joj brzi istezaj. To stimuliše receptore za istezanje (ćelije nerva u tetivi), koji šalju signal kičmenoj moždini koji kaže: "Patelarna tetiva je iznenada istegnuta." Ove impulse prima motorički (aktivirajući mišićem) neuron u kičmenoj moždini, koji šalju impulse velikom mišiću na prednjoj strani butine, naređujući mu da se skrati i ispravi nogu. U svakodnevnom životu, refleks vas sprečava da padnete ako spoljašnja sila iznenada savije vaša kolena.

    Digitalni impulsni sistem ovo savršeno dobro objašnjava. Međutim, niko ne može funkcionisati samo na refleksima, kao što žrtve cerebralne paralize veoma dobro znaju. Motorne aktivnosti koje uzimamo zdravo za gotovo - ustajanje iz stolice i hodanje po sobi, podizanje šolje i pijenje kafe, i tako dalje - zahtevaju integraciju svih mišića i čulnih organa koji rade zajedno glatko kako bi proizveli koordinisane pokrete o kojima čak ni ne moramo razmišljati. Niko nikada nije objasnio kako jednostavan kod impulsa može sve to da uradi. Još više problematični su viši procesi, kao što je vid - u kojem na neki način interpretiramo konstantno promenjivu scenu sačinjenju od bezbroj vizuelnih podataka - ili obrasci govora, prepoznavanje simbola i gramatika naših jezika. Na vrhu liste zagonetki je „problem uma i mozga“ svesti, sa njenim prepoznavanjem: "Ja sam stvaran; mislim; ja sam nešto posebno." Zatim tu su apstraktno mišljenje, pamćenje, ličnost, kreativnost i snovi. Priča kaže da se Otto Loewi dugo borio sa problemom sinapse bez rezultata, kada je jedne noći imao san u kojem mu je eksperiment sa žabljim srcem bio potpuno otkriven. Kada se probudio, znao je da je sanjao, ali je zaboravio detalje. Sledeće noći imao je isti san. Ovog puta se setio procedure, otišao u svoj laboratorij ujutro, izveo eksperiment i rešio problem. Inspiracija koja je izgledala kao da zauvek otklanja neuronsku električnu energiju ne može se objasniti teorijom koju je podržavala! Kako se jednostavne digitalne poruke pretvaraju u ove složene fenomene? Mehaničari današnjice su jednostavno postavili hipotezu o moždanim kolima toliko složenim da ih verovatno nikada nećemo razumeti, ali neki naučnici su rekli da moraju postojati i drugi faktori.

    Čak i dok je Loewi završavao svoj rad na acetilholinu, drugi su počeli da pronalaze dokaze da struje protiču kroz nerve. Engleski fiziolog Richard Caton je već tvrdio da je 1875. godine detektovao električno polje oko glava životinja, ali tek je 1924. nemački psihijatar Hans Berger to dokazao beležeći prvi elektroencefalogram (EEG) pomoću platinskih žica koje je ubacio u teme svog sina. EEG je obezbedio zapis ritmičkih fluktuacija potencijalnog napona u različitim delovima glave. Berger je u početku mislio da postoji samo jedan talas iz celog mozga, ali ubrzo je postalo jasno da se talasi razlikuju u zavisnosti od toga gde su elektrode postavljene. Moderni EEG koristi čak trideset dve odvojene kanale, raspoređene po celoj glavi.

    Frekvencija ovih moždanih talasa grubo je povezana sa stanjima svesti. Delta talasi (0,5 do 3 ciklusa u sekundi) ukazuju na dubok san. Tehta talasi (4 do 8 ciklusa u sekundi) ukazuju na trans, pospanost ili lagani san. Alfa talasi (8 do 14 ciklusa u sekundi) pojavljuju se tokom opuštene budnosti ili meditacije. A beta talasi (14 do 35 ciklusa u sekundi), najneujednačeniji oblici, prate sve modulacije naše aktivne svakodnevne svesti. Ispod ovih ritmova nalaze se potencijali koji variraju mnogo sporije, tokom perioda dugih nekoliko minuta. Današnji EEG aparati su dizajnirani da ih filtriraju jer uzrokuju da trag luta i smatraju se nebitnim u svakom slučaju.

    Još uvek ne postoji konsenzus o tome odakle potiču EEG naponi. Najlakše bi se mogli objasniti jednosmernim strujama, kako stalnim tako i pulsirajućim, kroz ceo mozak, ali je to za većinu biologa bilo nemoguće da prihvate. Glavna alternativna teorija, da veliki broj neurona koji istovremeno ispaljuju može imitirati stvarnu električnu aktivnost, nikada nije dokazana.

    Godine 1939. W. E. Burge sa Univerziteta u Ilinoisu otkrio je da napon meren između glave i drugih delova tela postaje negativniji tokom fizičke aktivnosti, opada tokom sna i prelazi u pozitivan pod opštom anestezijom. Otprilike u isto vreme, grupa fiziologa i neurologa sa Harvardske medicinske škole počela je da proučava mozak zajedno sa grupom matematičara sa MIT-a. Ova saradnja je bila predodređena da promeni svet. Iz nje je nastalo mnogo naših modernih koncepata kibernetike, i postala je jezgro glavne američke radne grupe za računare u Drugom svetskom ratu. Jedna od prvih važnih ideja grupe bila je da mozak funkcioniše kombinacijom analognog i digitalnog kodiranja.

    Jedan od matematičara, pionir računara Džon fon Nojman, kasnije je detaljno razradio taj koncept, ali u suštini je prilično jednostavan. U analognim računarima, promene u informacijama se izražavaju analognim promenama u veličini ili polarnosti struje. Na primer, ako računar treba da koristi i čuva promenljive temperature peći, porast i pad toplote mogu se oponašati porastom i padom napona. Analogni sistemi su spori i mogu da obrađuju samo jednostavne informacije, ali veoma dobro mogu da izraze suptilne varijacije. S druge strane, digitalno kodiranje može da prenese ogromne količine podataka velikom brzinom, ali samo ako se informacije mogu svesti na da-ne, uključi-isključi bitove—cifre 1 i 0. Ako bi mozak bio takav hibridni računar, zaključivali su ovi rani kibernetičari, onda bi analogno kodiranje moglo da kontroliše ukupnu aktivnost velikih grupa neurona putem postupaka kao što je povećanje ili smanjenje njihove osetljivosti na dolazne poruke. (Nekoliko godina kasnije, neuroloci su otkrili da su neki neuroni "podešeni" da se aktiviraju samo ako dobiju određeni broj impulsa.) Digitalni sistem bi prenosio senzorne i motoričke informacije, ali obrada tih informacija—pamćenje i prisećanje, mišljenje i tako dalje—obavljala bi se sinergijom oba metoda. Promene napona koje je Berg pronašao kao odgovor na velike promene svesti činile su se u skladu s ovim okvirom, a njegove zapažanja su proširili grupa sa Harvarda i MIT-a i drugi. Veliki deo ovog rada obavljen je direktno na izloženim mozgovima životinja i ljudskih pacijenata tokom operacija. Kada su kooperativni pacijenti odlučili da ostanu budni tokom takvih operacija (mozak je imun na bol), ljudske senzacije su se često mogle povezati sa električnim podacima. Učesnici u ovom poduhvatu uključivali su gotovo sve najveće američke neurofiziologe—Valtera B. Kanona, Artura Rozenbluta, Ralfa Žerara, Gilberta Linga, Vaildera Penfilda i druge.

    Merenja na izloženom mozgu brzo su potvrdila postojanje potencijalnih napona, a takođe su otkrila moguće struje povrede. Kad god su grupe nervnih ćelija aktivno provodile impulse, one su takođe proizvodile negativni potencijal. Pozitivni potencijali su se pojavili iz oštećenih ćelija kada je mozak bio povređen; ti potencijali su se zatim širili prema neozleđenim ćelijama, potiskujući njihovu sposobnost da šalju ili primaju impulse. Kada su istraživači primenili male negativne napone na grupe neurona, njihova osetljivost se povećala; to jest, generisali bi impuls kao odgovor na slabiji stimulus. Eksterno primenjeni pozitivni potencijali delovali su suprotno: Oni su potiskivali nervnu funkciju, otežavajući proizvodnju impulsa. Dakle, činilo se da postoji analogni kod, ali kako je on funkcionisao? Da li su potencijali dolazili od direktnih struja koje same nervne ćelije generišu, ili su jednostavno rezultat sabiranja velikog broja akcionih potencijala koji svi idu u istom smeru i stižu na isto mesto u isto vreme?

    Neke odgovore je pružio niz prelepih eksperimenata koje su sproveli Ling, Gerard i Benjamin Libet na Univerzitetu u Čikagu. Radeći na žabama, proučavali su oblasti kore u kojima je neuronski sloj bio debljine samo jedne ćelije i ćelije su bile poređane jedna pored druge kao vojnici na pregledu, svi okrenuti u istom pravcu. U takvim oblastima su pronašli negativni potencijal na dendritima (kratkim pristupnim vlaknima) i pozitivan potencijal na krajevima aksona (dužim odlaznim vlaknima). Ovo je ukazivalo na stalnu istosmernu struju duž normalnog pravca prenosa impulsa. Cela nervna ćelija je bila električno polarizovana.

    U drugoj seriji eksperimenata, na mozgovima uklonjenim iz žaba i održavanim živim u kulturi, grupa iz Čikaga je otkrila da direktni tokovi prolaze preko površine korteksa u veoma sporim talasima, koji su mogli biti eksperimentalno proizvedeni primenom hemikalija poput kofeina na jedno mesto na površini. Kada su napravili rez na mozgu, i presekli grupe nervnih vlakana, ti DC putujući talasi bi ipak prešli rez ako su dve površine bile u direktnom kontaktu. Ako su istraživači držali rez otvorenim i napunili ga rastvorom soli koji je odgovarao telesnim tečnostima, talasi ne bi mogli preći prazninu. Ovo su bile posebno važne opservacije. One su ukazivale da se struja prenosi putem struktura izvan neurona; prelazila je preko reza kada bi se ivice dodirnule, ali mikroskopski delovi presečenih neurona nisu se tako lako ponovo spojili. Rezultati su takođe pokazali da struja nije bila tok jona; inače bi mogla preći prazninu kroz slanu vodu.

    Istražujući netaknute mozgove živih žaba, ista grupa je otkrila potencijal između prednjeg i zadnjeg dela mozga. Olfaktorne (frontalne) režnjeve su bile nekoliko milivolta negativne u odnosu na okcipitalni (zadnji) režanj, implicirajući struju koja protiče uz moždano stablo i između dve hemisfere ka napred.

    Sidney Goldring i James L. O'Leary, neuropsihijatri na Medicinskom fakultetu Univerziteta Vašington u Sent Luisu, beležili su iste DC potencijale sa ljudskog skalpa, sa izloženog mozga tokom operacije, i iz mozgova majmuna i kunića. Kao što je ranije primećeno, potencijali su varirali u pravilnim ciklusima od nekoliko minuta, poput basso continua ispod EEG-a. U stvari, Goldring i O'Leary su pronašli talase unutar talasa: „Na sporim velikim oscilacijama pisale su manje promene napona.“ To su bili slabi potencijali, mereni u mikrovoltima (milioniti deo volta) i varirali su u talasima od 2 do 30 ciklusa po minuti, svojevrsni pianissimo „unutrašnji glas“ u trodelnoj električnoj fugi.

    Albert Szent-Gyorgyi, koji je već osvojio Nobelovu nagradu za svoj rad na oksidaciji i vitaminu C, dao je zapanjujuću sugestiju u govoru pred Budimpeštanskom Akademijom nauka 21. marta 1941. Govoreći o mehanističkom pristupu biohemiji, istakao je da kada istraživači razlažu živa bića na njihove sastavne delove, negde usput im život isklizne iz ruku i oni se nađu radeći sa mrtvom materijom. Rekao je: "Izgleda kao da neki osnovni podatak o životu još uvek nedostaje, bez kojeg je svako stvarno razumevanje nemoguće." Za taj nedostajući osnovni podatak, Szent-Gyorgyi je predložio vraćanje električne energije u živa bića, ali ne na način kako se o tome razmišljalo na prelazu veka.

    U to ranije vreme postojala su samo dva poznata načina provođenja struje, jonsko i metalsko. Metalsko provodjenje može se vizualizovati kao oblak elektrona koji se kreće duž površine metala, obično žice. Ono se automatski može isključiti kod živih bića jer niko nikada nije našao žice u njima. Jonska struja se provodi u rastvorima kretanjem jona - atoma ili molekula koji su naelektrisani zbog toga što imaju više ili manje elektrona nego što je potrebno da bi uravnotežili pozitivne naboje svojih protona. Pošto su joni mnogo veći od elektrona, oni se sporije kreću kroz provodni medijum, i jonske struje nestaju posle kratkih razdaljina. One funkcionišu dobro kroz tanku membranu nervnog vlakna, ali bi bilo nemoguće održavati jonsku struju duž čak i najkraćeg nerva.

    Poluprovodništvo, treći tip prenosa struje, bio je laboratorijska zanimljivost u 1930-im godinama. Na pola puta između provodnika i izolatora, poluprovodnici su neefikasni, u smislu da mogu nositi samo male struje, ali mogu lako provoditi svoje struje na velike udaljenosti. Bez njih, moderni računari, sateliti i sva ostala naša elektronika u čvrstom stanju bili bi nemogući.

    Poluprovodništvo se javlja samo u materijalima koji imaju urednu molekulsku strukturu, poput kristala, u kojima elektroni mogu lako da se kreću iz elektronskog oblaka oko jednog atomskog jezgra u oblak oko drugog. Atomi u kristalu su raspoređeni u uredne geometrijske rešetke, za razliku od smrznutog haosa običnih čvrstih tela. Neki kristalni materijali imaju praznine u rešetki u koje mogu da se smeste drugi atomi. Atomi ovih primesa mogu imati više ili manje elektrona nego atomi materijala rešetke. Pošto sile strukture rešetke drže isti broj elektrona koji se nalaze oko svakog atoma, „višak“ elektrona atoma nečistoće je slobodan da se kreće kroz rešetku bez da bude vezan za bilo koji određeni atom. Ako atomi nečistoće imaju manje elektrona od drugih, „rupe“ u njihovim elektronskim oblacima mogu biti popunjene elektronima iz drugih atoma, ostavljajući rupe na drugom mestu. Negativna struja, ili N-tipska poluprovodnost, predstavlja kretanje viška elektrona; pozitivna struja, ili P-tipska poluprovodnost, je kretanje tih rupa, koje se može posmatrati kao pozitivna naelektrisanja.

    Szent-Gyorgyi je istakao da je molekulska struktura mnogih delova ćelije dovoljno regularna da podrži poluprovodništvo. Ova ideja je skoro potpuno ignorisana u to vreme. Čak i kada je Szent-Gyorgyi proširio koncept u svojoj knjizi iz 1960. godine, Uvod u submolekularnu biologiju, većina naučnika (osim u Rusiji!) je to odbacila kao dokaz njegove sve starije dobi, ali ta mala knjiga bila je inspiracija za mene. U njoj je pretpostavio da bi se proteinske molekule, svaka sa nekom vrstom utora ili stanice za mobilne elektrone, mogle povezati u duge lance tako da elektroni mogu teći u poluprovodničkoj struji na velike daljine bez gubitka energije, slično kao u igri damama kada jedan žeton može preskakati niz red drugih figura preko cele table. Szent-Gyorgyi je sugerisao da bi tok elektrona bio sličan fotosintezi, drugom procesu koji je pomogao da se objasni, u kojem u vidu vodopada se elektroni kaskadno spuštaju korak po korak niz stepenice molekula, gubeći energiju pri svakom odskoku. Glavna razlika je bila u tome što bi kod poluprovodničke provodljivosti proteina energija elektrona bila očuvana i prenošena kao informacija umesto da se apsorbuje i skladišti u hemijskim vezama hrane.

    Imajući na umu Szent-Gyorgyijevu sugestiju, sastavio sam svoju radnu hipotezu. Postulirao sam primitivni informacioni sistem kodiran analogno koji je bio usko povezan sa živcima, ali ne nužno smešten u samim živčanim vlaknima. Teoretisao sam da ovaj sistem koristi polu-provodeće jednosmerne struje i da, bilo samostalno ili u saradnji sa sistemom nervnog impulsa, regulisao rast, lečenje i možda druge osnovne procese.

Testiranje koncepta

    Prvi posao je bio da se ponove Burrova merenja na salamanderima, koristeći modernu opremu. Postavio sam referentnu elektrodu na vrh nosa svakog životinjskog uzorka i pomerao elektrodu za snimanje tačku po tačku duž centra tela do vrha repa, a zatim duž svakog ekstremiteta. Merio sam napone na ostatku tela i nacrtao linije sile koje povezuju sve tačke na kojima su očitavanja bila ista.

    Umesto Burrove jednostavne forme sa glavom negativnom i repom pozitivnim, pronašao sam složeno polje koje je pratilo raspored nervnog sistema. Postojali su veliki pozitivni potencijali iznad svakog režnja mozga, i nešto manji iznad brahija i lumbalnih nervnih ganglija između svakog para udova. Očitavanja su postajala sve negativnija kako sam se udaljavao od ovih zbirki tela nervnih ćelija; ruke, noge i vrh repa imali su najveće negativne potencijale.

    U drugoj seriji merenja, posmatrao sam kako se potencijali razvijaju zajedno sa nervnim sistemom kod larvalnih salamandera. Kod odraslih, sečenje nerva tamo gde ulazi u noge—to jest, presecanje dugih nervnih vlakana od njihovih ćelijskih tela u kičmenoj moždini—gotovo je potpuno uklonilo potencijale u udovima. Ali ako sam presekao kičmenu moždinu, ostavljajući periferne nerve povezane sa njihovim ćelijskim telima, potencijali u udovima se nisu promenili. Izgleda da je svakako bilo kao da se struja generiše u ćelijskim telima nerva i putuje niz vlakna.

    Da bi došlo do protoka struje, potreban vam je krug; struja mora biti stvorena na jednom mestu, proći kroz provodnik i na kraju se vratiti do generatora. Često zaboravljamo da se ciklusna naizmenična struja u utičnicama ne troši kada upalimo svetlo, već kroz nju jednostavno protiče struja prema zemlji, kroz koju se na kraju vraća u elektranu. Pošto su moja merenja pokazivala pozitivne vrednosti iznad skupova ćelijskih tela nervnih ćelija, a sve negativnije duž nervnih vlakana, činilo se verovatnim da se struja generiše u ćelijskim telima, posebno zato što su ona sadržavala sve „dobre stvari“—jedro, organele i metaboličke komponente—dok su vlakna bila relativno neinteresantni produžeci tela. Tada sam pretpostavljao da je krug kompletiran tako što struja ide nazad prema kičmi kroz mišiće.

    Ovo je bio dobar početak, ali to nije bio naučno prihvatljiv dokaz. Na primer, moja pretpostavka o povratnom delu kola je uskoro opovrgnuta kada sam izmerio mišiće ekstremiteta i utvrdio da su polarizovani u istom pravcu kao i površinski potencijali. Takođe, nedavno je otkriveno da je koža vodozemaca sama po sebi polarizovana, unutra naspram spolja, zbog razlika u jonima, slično kao i membranski potencijal nerava u mirovanju, tako da je bilo jedva moguće da su moja očitavanja bila uzrokovana ionskim pražnjenjima kroz vlažnu kožu. Ako je tako, moji dokazi su doslovno bili potpuno mokri.

U svakoj vrsti potencijali na koži odražavali su raspored nervnog sistema. Kod crva i riba postojala je samo jedna oblast pozitivnog potencijala, baš kao što je postojao samo jedan glavni nervni ganglion, mozak. Kod ljudi je čitava glava i kičmena regija, sa velikom koncentracijom neurona, bila snažno pozitivna. Tri specifične oblasti najvećeg pozitivnog potencijala bile su iste kao kod salamandera: mozak, brahijalni pleksus između lopatica i lumbalno uvećanje na dnu kičmene moždine. Kod svih kičmenjaka takođe sam zabeležio potencijal duž srednje linije glave koji je sugerisao stalnu struju poput one koju je postulirao Gerard, tekući od pozadi ka napred kroz sredinu mozga. Izgledalo je kao da struja dolazi iz retikularnog aktivacionog sistema, mreže međusobno povezanih neurona koja se širi iz moždanog stabla u više centre i činilo se da kontroliše nivo sna ili budnosti i fokus pažnje.

    U isto vreme, da vidim da li talas povrede i površinski potencijali potiču iz istog izvora, izvršio sam električna merenja na udovima salamandera dok su im zarastale frakture. (Kao što je pomenuto u Poglavlju 1, zarastanje kostiju je jedina vrsta prave regeneracije prisutna kod svih kičmenjaka.) Struje u udovima ponašale su se kao one koje prate ponovni rast. Pozitivna zona se odmah formirala oko preloma, iako je ostatak uda zadržao bar deo svog negativnog potencijala. Zatim, između petog i desetog dana, pozitivna zona je promenila svoj potencijal i postala jače negativna nego ostatak uda dok je prelome počeo da zarasta.

    Kako je svaka životinja tonula u anesteziju, njeni periferni potencijali su opadali do nule, a u vrlo dubokoj anesteziji su se donekle preokretali, udovi i rep postajali su pozitivni. Vraćali su se u normalu neposredno pre nego što se životinja probudila.

    Negativni potencijali u frontalnom delu mozga i na periferiji nervnog sistema bili su povezani sa budnošću, senzornim stimulacijama i pokretima mišića. Što je bilo više aktivnosti, to su negativni potencijali bili veći. Pomak ka pozitivnom dešavao se tokom odmora, a još više tokom sna.

    Pretpostavimo da mislite da kroz neki provodnik teče struja – na primer, kroz ud salamandra. Stavite ga u jako magnetsko polje tako da linije sile prolaze poprečno kroz provodnik pod pravim uglom. Zatim postavite drugi provodnik, koji ne sadrži struju, okomito na originalni provodnik (udove) i magnetsko polje. Ako u onome što testirate postoji struja, neki od nosioca naelektrisanja će biti odbačeni magnetskim poljem u drugi provodnik, stvarajući napon koji možete izmeriti. Ovo se naziva Hallov napon, po gospodinu koji ga je otkrio. Lepota toga je u tome što funkcioniše drugačije za tri vrste struje. Za bilo koju datu jačinu magnetno polje, Hall-ov napon je proporcionalan pokretljivosti nosioca naelektrisanja. Joni u rastvoru su relativno veliki i skoro da se ne menjaju pod uticajem polja. Elektroni u žici su ograničeni prirodom metala. U oba slučaja Hall-ov napon je mali i teško ga je detektovati. Elektroni u poluprovodnicima su veoma slobodni u kretanju, međutim, i proizvode Hall-ove napone sa mnogo slabijim poljima.

    Nakon što sam pronašao C-oblikovani trajni magnet, predmet koji nije bio mnogo tražen od kada je došlo do napretka elektromagneta, postavio sam opremu. Duboko sam udahnuo dok sam stavljao prvog uspavanog salamandra na njegovu plastičnu podršku, sa jednom ispruženom prednjom nogom. Postavio sam elektrode tako da lagano dodiruju ud, po jednu na svakoj strani, i montirao sam magnet tako da se njiše sa svojim polovima iznad i ispod uda, blizu, ali ne dodirujući ga. Merio sam napon svakih nekoliko minuta, sa magnetom i bez njega dok je životinja vraćala svest. Takođe sam merio DC napon od vrhova prstiju do kičmene moždine. U dubokoj anesteziji, DC napon uda je bio nula, kao i Hallov napon. Kako je anestetik počinjao da popušta, normalni potencijal duž uda se postepeno pojavljivao, i pojavio se i prelep Hallov napon. On je rastao zajedno sa udom dok se životinja potpuno nije oporavila i nije otišla od aparature.

    Ovaj eksperiment je nedvosmisleno pokazao da je postojao pravi električni tok koji je prolazio duž prednje noge salamandera, i gotovo je dokazao da je taj tok poluprovodnički.