Фрэнсис Эшкрофт - Искра жизни. Электричество в теле человека
Измерения показали, что внутренний потенциал нервной клетки в спокойном состоянии примерно на 50 мВ более отрицателен, чем наружный потенциал. Такой результат не был неожиданным, поскольку предположения об отрицательном потенциале покоя уже высказывались. Он возникает в результате утечки положительно заряженных ионов калия из клетки в состоянии покоя, как уже говорилось в предыдущей главе. Сюрпризом оказалось то, что при возбуждении нерва с помощью небольшого электрического разряда и генерировании нервного импульса разность потенциалов на мембране кратковременно изменялась на противоположную и внутриклеточный потенциал становился почти на 50 мВ более положительным, чем наружный. Такой «положительный скачок» потенциала полностью перечеркивал существовавшие представления и требовал переосмысления механизмов функционирования нервов.
Ходжкин и Хаксли впервые зарегистрировали потенциал действия 5 августа 1939 г., и это открытие чрезвычайно взволновало их. Они быстро опубликовали в журнале Nature короткую заметку о нем без каких-либо подробностей. А три недели спустя, 1 сентября, Гитлер вторгся в Польшу, Великобритания объявила войну Германии, и ученым пришлось оставить их эксперименты на целых восемь лет. Как ни печально, но у них не было времени на осмысление результатов, поскольку они очень быстро включились в решение более неотложных военных проблем.
В первые месяцы войны Ходжкин все же пытался описать результаты их работы в развернутой статье, однако сделать этого так и не смог — слишком много сил отнимала работа на оборону, а к 1940 г. «военные действия приняли такие масштабы, и потребность в радаре сантиметрового диапазона была настолько острой», что он «потерял всякий интерес к нейрофизиологии» и стал заниматься исключительно радаром. Ходжкину пришлось посвятить массу времени изучению необходимых разделов физики, но он об этом не жалел, поскольку очень быстро попал в команду, которая разрабатывала коротковолновую авиационную радиолокационную систему для ночных истребителей, позволявшую обнаруживать вражеские бомбардировщики в темноте. Работа была опасной — она включала в себя полетные испытания прототипов системы, а в первых образцах высоковольтной аппаратуры нередко случались замыкания в разреженном воздухе на большой высоте, они горели и наполняли самолет едким дымом. Хаксли также был очень занят — он работал над применением радиолокационных систем в корабельных зенитных артиллерийских установках.
Если британские ученые не могли продолжать исследования во время войны, то в Соединенных Штатах исследования не прекращались. Кеннет Коул (известный как Кейси) и его коллега Говард Кертис тоже занимались регистрацией потенциалов действия в аксонах кальмара в вудс-хоулской лаборатории. К сожалению, некоторые их результаты были ошибочными. Они иллюстрировали свои отчеты «типичными» графиками, но, как многие ученые, приводили не репрезентативную выборку, а всего один график, лучший с их точки зрения, т.е. с наибольшими значениями. Однако наибольшее не всегда является наилучшим. Впоследствии Коул допустил возможность плохой калибровки аппаратуры, поскольку по их замерам выходило, что потенциал действия превосходит потенциал покоя почти на 100 мВ. Такой гигантский потенциал действия не укладывался ни в одну известную теорию, что задержало решение загадки работы нервного импульса. Эта поучительная история напоминает ученым о том, что «типичные данные» действительно должны быть типичными. Укрощение аксона
После окончания войны Ходжкин и Хаксли вновь стали работать вместе и в 1945 г. наконец опубликовали детальные результаты экспериментов, датированных 1939 г. Они выпустили полномасштабный отчет, содержавший четыре возможных объяснения полученных результатов, которые, как ученые позднее признали, были неправильными. Чего им не хватало, так это дополнительных экспериментов. Дело осложнялось тем, что привести лабораторию в Плимуте в рабочее состояние было непросто. Здания сильно пострадали в результате воздушных налетов, кальмары были дефицитом, да к тому же, как заметил Ходжкин, он «забыл многие тонкости метода». Когда наконец появилась возможность возобновить эксперименты (случилось это в 1947 г.), Хаксли наслаждался медовым месяцем, и Ходжкин взял в помощники Бернарда Каца, молодого беженца из нацистской Германии.
Во время войны Ходжкин и Хаксли пришли к убеждению, что потенциал действия должен возникать в результате кратковременного повышения проницаемости мембраны нервной клетки для ионов натрия, и Ходжкину не терпелось проверить эту идею. К его радости, импульсы регистрировались, когда аксон находился в нормальной морской воде, и отсутствовали, когда ионы натрия в морской воде замещались на другие ионы. Все выглядело так, что именно ток, создаваемый ионами натрия, которые двигались из внешнего раствора внутрь аксона, лежал в основе изменения полярности потенциала действия. Между прочим, этот ток действительно возникает в результате открытия натриевых каналов в мембране аксона, но тогда никто, в том числе и Ходжкин с Хаксли, не подозревал о существовании ионных каналов.
Большую проблему для понимания того, как именно работают нервы, представлял характер потенциала действия — все или ничего. Ничто не происходило до тех пор, пока электрический раздражитель не превышал определенный порог, а после этого все протекало мгновенно — мембранный потенциал неожиданно и взрывообразно изменялся от уровня покоя до более положительного примерно на 100 мВ уровня, а затем быстро возвращался к исходному состоянию. Нужно было каким-то образом не допустить вызванное раздражителем изменение мембранного потенциала и сохранить его постоянным, с тем чтобы можно было измерять токи, связанные с изменением потенциала. Этого удалось добиться с помощью оригинального метода, получившего название «фиксация потенциала». Он предполагал подачу тока, равного по амплитуде, но противоположного по направлению тому, что тек через мембрану. Мембранный ток при этом нейтрализовывался, и потенциал не менялся. Более того, величина тока, текущего через мембрану, была прямо пропорциональна подаваемому току, что обеспечивало точное измерение токов, приводящих к возникновению потенциала действия. Проблема, таким образом, получила блестящее решение.
Метод фиксации потенциала был независимо разработан Ходжкином и Кацом в Плимуте и Коулом совместно с Джорджем Мармонтом в Вудс-Хоуле. Американцы быстрее справились с технической частью и первыми начали экспериментировать с фиксацией потенциала (этот термин очень не нравился Коулу), в 1947 г. Коул сообщил Ходжкину о своих экспериментах, и когда в марте 1948 г. тот приехал в Вудс-Хоул, они обменялись информацией о достижениях. Ходжкин быстро понял, что аппаратура Коула была лучше. По возвращении в Англию он и Хаксли модифицировали свою систему с учетом достижений Коула и всего лишь за месяц, в августе 1949 г., получили все данные, необходимые для того, чтобы продемонстрировать, как работают нервы. Секрет их успеха заключался в использовании сложной аппаратуры и подхода, который сильно отличался от подхода Коула.
Коула очень удивила быстрота их продвижения, в своих комментариях он отмечал, что «Ходжкин и Хаксли продвигаются с потрясающей скоростью… Я периодически получал сообщения от них, однако так и не оценил блистательной простоты фундаментальных концепций и эффектных деталей [их анализа…]. Лишь после того, как Ходжкин прислал мне черновой вариант своей рукописи… я начал понимать, во что превратилась моя простая идея по укрощению аксона кальмара». Последнее предложение вместе с заявлением Коула о том, что «свободный обмен методами и результатами позволил им [т.е. его соперникам] в течение года повторить всю мою работу и добиться очень значительных успехов» — это намек на смятение, которое породили в его душе достижения кембриджских ученых.
Изящные эксперименты Ходжкина и Хаксли показали, как именно нерв генерирует электрический импульс. Потенциал действия возникает под действием повышения проницаемости мембраны для ионов натрия. Проницаемость повышается в результате открытия натриевых каналов, которые позволяют потоку положительно заряженных ионов натрия проходить в нервную клетку и смещать мембранный потенциал в положительную сторону (деполяризация). Менее чем через миллисекунду открываются калиевые каналы, выпускающие ионы калия из нервной клетки и возвращающие мембранный потенциал к уровню покоя (реполяризация). Совместно эти противоположные потоки ионов генерируют кратковременное изменение потенциала, которое и составляет нервный импульс. Прогресс, подтвержденный расчетом
После измерения амплитуды и продолжительности натриевых и калиевых токов Ходжкину и Хаксли нужно было доказать, что они достаточны для генерирования нервного импульса. Ученые решили сделать это теоретически, путем расчета ожидаемой продолжительности потенциала действия. Они предположили: если удастся построить математическую модель нервного импульса, это даст веское основание считать, что он является результатом только зарегистрированных токов. Хаксли пришлось решать сложные уравнения на механическом арифмометре, поскольку вычислительная машина Кембриджского университета была «недоступна» в течение полугода. Как ни странно это выглядит сейчас, но университет тогда располагал всего одной ЭВМ (по правде сказать, это была первая электронная вычислительная машина в Кембридже). На расчет потенциала действия у Хаксли ушло около трех недель: мы продвинулись далеко вперед с тех пор — моему нынешнему компьютеру требуется всего несколько секунд для проведения тех же вычислений. Не менее замечательно, пожалуй, и то, что мы до сих пор пользуемся уравнениями, составленными Ходжкином и Хаксли для описания нервного импульса.
