Теории всего на свете

Происхождение биологического электричества

Мое любимое глубокое, изящное и красивое объяснение – объяснение механизма выработки электричества животными и растениями. Британские физиологи Алан Ходжкин и Эндрю Хаксли предложили его в 1952 году, а в 1963 году они получили за эту работу Нобелевскую премию по физиологии и медицине.

К тому времени уже больше столетия было известно, что нервы, мышцы и некоторые другие органы животных и отдельных растений генерируют электроэнергию. Основная часть этого электричества имеет низкое напряжение – несколько вольт или всего лишь какие-то доли вольта. Однако у электрического угря имеется набор из 6 тысяч мышечных мембран, позволяющий ему генерировать напряжение в 600 вольт, вполне достаточное для того, чтобы убивать добычу и поражать мощным разрядом лошадей, переходящих реку вброд. Как-то один такой угорь меня тоже сильно ударил током: старшекурсником я изучал процесс вырабатывания электричества угрями и так сосредоточился на размышлении о физиологических механизмах, что на время позабыл об их практических следствиях.

Электричество подразумевает движение заряженных частиц. В наших лампочках и электросетях эти частицы – отрицательно заряженные электроны. А как обстоит дело в биологических системах? Больше века назад немецкий физиолог Юлиус Бернштейн предположил, что заряженные частицы, чье движение порождает биологическое электричество, – это не электроны, а положительно заряженные ионы.

Ходжкин и Хаксли начали свои решающие эксперименты в конце 1930‑х. Они ожидали обнаружить, что электрический потенциал на нервной мембране (т. е., собственно говоря, разность потенциалов по обе стороны мембраны) во время прохождения электрического импульса быстро падает до нуля благодаря избирательной проницаемости мембраны для положительно заряженных ионов калия. Однако выяснилось, что потенциал на нервной мембране не просто падает до нуля и нервная мембрана не просто становится неселективно проницаемой: потенциал меняет знак, а значит, требуется какое-то особое объяснение этого явления. Но тут Гитлер вторгся в Польшу, и следующие 6 лет Ходжкин и Хаксли провели, используя свое понимание электричества при конструирования радарных установок для британской армии.

В 1945 году ученые возобновили эксперименты, используя гигантские нервы, которые были обнаружены в спинной части кальмаров и которые оказались достаточно большими, чтобы в них можно было вставить электрод для измерения разности потенциалов на нервной мембране. Ходжкин и Хаксли подтвердили свое поразительное предвоенное открытие – нервный потенциал действительно меняет знак и это изменение передается вдоль нерва, как раз и создавая электрический импульс. В серии экспериментов невероятного изящества они искусственно создавали ту или иную фиксированную разность потенциалов на мембране, измеряя силу тока, входящего в мембрану и выходящего из нее, как функцию времени, и определяли на основе этих измерений потенциалов то, как меняется проницаемость мембраны по отношению к положительно заряженным ионам калия, а затем – к положительно заряженным ионам натрия (тоже в зависимости от потенциала и времени). В конце концов им удалось воссоздать всю цепочку распространения нервного импульса – путем изучения этих изменений проницаемости мембраны в зависимости от времени и потенциала. В наши дни студенты-физиологи выполняют расчеты биоэлектрических потенциалов на своих настольных компьютерах за несколько часов. В 1952 году, еще до наступления эры современных вычислительных машин, Эндрю Хаксли вынужден был выполнять эти расчеты на настольном калькуляторе, позволявшем ему обсчитать один нервный импульс примерно за месяц!

Четыре статьи, которые Ходжкин и Хаксли опубликовали в британском Journal of Physiology в 1952 году, настолько ошеломляли детальными описаниями перемещений ионов калия и натрия и реконструкцией нервных импульсов, что научный мир почти сразу же поверил в истинность этого открытия. Изменения проницаемости мембраны по отношению к положительно заряженным ионам (а не к отрицательно заряженным электронам) дают нервам возможность передавать электрические импульсы, нервно-мышечным узлам – передавать импульсы, которыми нервы активируют мышцы, участкам пересечения нервов (так называемым синапсам) – передавать импульсы, которыми один нерв активирует другой нерв, органам чувств – вырабатывать импульсы, которые превращают свет, звук и прикосновение в электричество. По сути, благодаря этим изменениям проницаемости функционируют наши нервы и наш мозг. Таким образом, процессы возникновения и распространения животного электричества, тайну которых раскрыли Ходжкин и Хаксли, позволяют вам читать эту страницу, думать об этой странице, перелистывать эту страницу, удивленно восклицать, размышлять и делать все прочее, что включает в себя движение, ощущения и мысль. Лежащий в основе этих действий принцип (перемещение положительно заряженных частиц) прост, однако промысел Божий чувствуется в тончайших деталях сих процессов и их элегантной реконструкции.