Дэвид Боданис - Электрическая Вселенная. Невероятная, но подлинная история электричества
Да и все наше тело работает на электричестве. Искривленные живые электрические кабели уходят в глубины нашего мозга, существующие внутри клеток интенсивные электрические и магнитные поля проталкивают питательные вещества или нейротрансмиттеры через мембранные барьеры, даже наша ДНК контролируется мощной электрической силой.
Ученые наших дней создали еще одну форму технологии — жидкостную, — позволяющую формировать во внутренних полостях наших тел миниатюрные лужицы, наполненные электрическими частицами. Обезболивающие вещества вплывают в электрические насосы наших нервных клеток, и те немеют, позволяя нам переносить хирургическую операцию; прозак запирает электрические приемные блоки нашего мозга, позволяя нам справляться с нашими горестями; электрически заряженные молекулы, содержащиеся в таблетке виагры, обостряют чувствительность наших нервных окончаний, усиливая испытываемое нами наслаждение. Все это — часть великого сдвига границ современных наук, от физики до биологии, перехода от внешнего физического мира к нашему телу и мышлению.
Представление о встроенных в наши тела и мозги электрических контурах оказалось неожиданным — до недавнего времени о роли электричества в теле никто и не помышлял. Пытливые древние греки и мусульмане заметили, как мы уже знаем, несколько электрических явлений, таких, например, как встающая дыбом — при условии, что воздух сух, — шерсть поглаживаемого животного. Анатомы Возрождения и более поздних времен обнаружили проходящие сквозь тело человека полые белые трубки и поняли, что это нервы. Впрочем, они полагали, что нервы управляются божественной силой или, при отсутствии таковой, миниатюрными шкивами либо гидравлическими жидкостями, но никак уж не электрическими искрами.
Положение начало изменяться по причине того, что большинство ученых, какими бы независимыми умами они себя ни воображали, не способно игнорировать моду, царящую в окружающем их обществе. В Англии и Италии 1600-х насосы были новой, волнующей, быстро развивавшейся технологией, поэтому, когда Уильям Гарвей приступил к исследованию кровообращения, представление о сердце как о насосе было для него вполне естественным. Ньютон и его последователи естественным образом представляли себе Вселенную как заводной механизм, поскольку многообещающей новой технологией конца семнадцатого века были точные механические часы.
В начале 1800-х немалое число людей уже успело побывать на демонстрациях простых электрических батарей и проводов. Когда одной грозовой ночью двадцатилетняя Мэри Шелли обменивалась с друзьями на берегу Женевского озера историями о привидениях, она вполне естественным образом заставила доктора Франкенштейна использовать при создании его чудища электричество. В 1840-х началось строительство телеграфных линий, сообщения по которым переносились стремительными потоками электричества. И чем большее число крупных городов Западной Европы соединялось ими друг с другом, тем труднее становилось поверить в то, что и длинные нервные волокна, служащие для передачи сообщений внутри наших тел, не используют при этом все то же электричество. Однако, когда в 1850-х немецкие ученые сумели точно измерить скорость распространения нервных сигналов, выяснилось, что электричество не распространяется в живых нервных клетках с той же скоростью в миллионы километров в час, с какой оно движется по телеграфным проводам. Внутри тела происходило нечто совсем иное, ибо скорость эта составляла всего 160 километров в час, что лишь в несколько раз превышает скорость, с которой движется кулак человека, наносящего удар.
В определенном смысле это было и хорошо, поскольку трудно понять, как могли бы уцелеть хрупкие ткани человеческого тела, если бы проходящие внутри нас сигналы распространялись со скоростью миллион километров в час. Однако почему все обстоит именно так, химия того времени объяснить не могла. Глазные яблоки приводятся в движение мышцами. Анатомы обнаружили эти мышцы без всякого труда. А вот никаких маленьких мышц, действующих как усилительные устройства наших многочисленных нервных сигналов, им обнаружить не удалось. Но, если наши нервные волокна подобны телеграфным кабелям, где же тогда батареи и что, собственно говоря, по этим кабелям движется? Ни длинных медных проводов, ни какого-либо еще металла внутри наших тел не имеется.
Решение, которое искали ученые, — объяснение того, как электричество может существовать даже в воде, — было получено, только когда они перестали думать о машинах и механизмах. Телеграф работает потому, что удается заставить электроны двигаться, но ведь электрон — это лишь часть атома. Телеграфу, электрическим лампочкам и даже компьютеру приходится полагаться на эти крошечные, податливые электроны. Однако нашим электрическим технологиям всего лишь двести лет от роду. А эволюция шла на Земле миллиарды лет и давным-давно отыскала другой способ проводить электричество, используя для этого не просто крошечные электроны, но целые атомы.
Фокус состоял в том, чтобы найти атомы, содержащие больший обыкновенного запас электрической силы. Таких, как учат нас в школе, вообще говоря, не бывает, поскольку отрицательный заряд вращающихся вокруг ядра атома электронов равен положительному заряду этого ядра. В результате атом пребывает в состоянии равновесия. Именно по этой причине он нейтрален, и по ней же даже великий Ньютон склонялся к мнению о том, что атомы суть всего-навсего скучные, простенькие шарики.
И тем не менее у некоторых атомов, таких как атомы металлического натрия, оторвать один, самый далекий от ядра электрон оказывается очень легко. В нашей планете и наших телах подобных калек полным-полно. И это очень удобно, поскольку такие оборванные гиганты отличнейшим образом приводят в движение другие электрические заряды. Положительный заряд, сосредоточенный в центре этого атома, на единицу больше отрицательного заряда оставшихся у него электронов, и потому атом создает сильное положительное электрическое поле. А кроме того, такая глыба, как атом натрия, лишившийся одного из своих электронов, способна выживать там, где крошечным электронам долго протянуть не удается. Ему нипочем пенящаяся вода или активный кислород; подобные ему атомные ионы способны проводить миллионы лет в атмосфере с ее ветрами, дождями и грозами или покоиться в горах, под километровыми наслоениями камня.
Одиночные электроны не способны прожить долгое время в омываемом влагой живом теле, а эти гиганты чувствуют себя в нем превосходно. Любой атом, обладающий отличным от изначального числом электронов, называется ионом — от греческого слова, означающего «путешественник». Ободранный атом натрия именуется ионом натрия.
Это и составляет причину, по которой наши тела проводят измеренные Гельмгольцем токи. Но как? Нервные волокна намного меньше, чем полагали ранние анатомы; полые белые трубки, обнаруженные прозекторами эпохи Возрождения, были на самом-то деле «трубопроводами» настоящих нервных волокон, куда более тонких, чем они сами, миниатюризированных почти до невидимости. Самой узкой частью их является аксон, вытянутая составляющая нервной клетки, служащая для передачи сигнала. Аксоны малы настолько, что внутренность большинства из них трудно разглядеть даже в современный микроскоп.
На счастье науки, разные нервные волокна передают сигналы с разными скоростями. Бели нервное волокно очень тонко, сигнал проходит по нему довольно медленно. Чем шире нервное волокно, тем быстрее осуществляется передача. Это означает, что физиологам двадцатого века, желавшим продолжить исследования, начатые немецкими учеными, следовало отыскать существа, которым для того, чтобы совершать нападения и спасаться бегством, требуются сверхбыстрые нервные сигналы, и, стало быть, нервные волокна их должны быть широкими и толстыми. Кроме того, существа эти должны иметь достаточную длину, поскольку длинные нервные волокна препарируются легче. Логика простая, пока не вдумаешься, что из нее следует, а следует из нее, что нужно искать животное и большое, и быстрое. Лягушка маловата, медведь слишком неповоротлив, зато гигантский кальмар — или, за неимением такового, кальмар обыкновенный, — которому для его стремительных реактивных бросков требуются быстрые сигналы, был бы идеальным.
Но разумеется, сначала требовалось кальмара добыть. А это, как выяснил спокойный молодой английский квакер Алан Ходжкин, вернувшийся летом 1939 года в Плимут после стажировки в Соединенных Штатах, дело отнюдь не простое. Он выходил в море на траулерах, обшаривал рыбные рынки, однако отыскать кальмара так и не смог. В своих веселых письмах к матери Ходжкин изображал бодрячка, однако, приуныв окончательно, не смог удержаться от жалобы на «почти полное отсутствие кальмаров». И все же в конце июня удача ему улыбнулась. Уезжая на недельный отпуск к Шотландию, он попросил местных рыбаков продолжить охоту на кальмаров, и те добились успеха. «Вернувшись, я обнаружил ожидавший меня большой запас кальмаров».
