Фрэнсис Эшкрофт - Искра жизни. Электричество в теле человека
Передача сигнала в электрических синапсах происходит в 10 раз быстрее, чем в химических синапсах, поскольку в них отсутствуют такие занимающие время процессы, как выброс нейромедиатора, его диффузия через щелевой контакт и присоединение к постсинаптическим рецепторам. В результате электрические синапсы нередко отвечают за инициирование защитных реакций, таких как выброс реактивной струи кальмаром в случае опасности, выброс чернил каракатицей для маскировки от врагов и быстрое отдергивание дождевого червя и уползание в нору, когда его клюет птица.
Высокая скорость передачи сигнала делает электрические синапсы идеальными для синхронизации электрической активности соседних клеток, поэтому они есть во всех частях организма. Клетки сердца связаны друг с другом щелевыми контактами, именно поэтому они сокращаются так согласованно. Щелевые контакты связывают вырабатывающие инсулин бета-клетки в поджелудочной железе, именно поэтому они могут выбрасывать инсулин одновременно. Нейроны в некоторых областях головного мозга также имеют электрическую связь, что позволяет им возбуждаться всем сразу. Поры в щелевом контакте значительно крупнее большинства других каналов, поэтому они пропускают внутриклеточные сигнальные молекулы, небольшие метаболиты, а также ионы. Таким образом, щелевые контакты не только связывают клетки электрически, но и обеспечивают согласование биохимической активности соседних клеток. Каналы щелевых контактов, по всей видимости, играют важную роль в нашей коже, поскольку наследственные генетические дефекты, приводящие к их утрате, вызывают кожные заболевания. У людей с такими дефектами могут появляться кожные утолщения на ладонях и подошвах стоп, а также видоизменяться зубы, волосы и ногти. Прыжок через синаптическую щель
Хотя основное внимание в этой главе уделяется функционированию синаптической щели между нервной и мышечной клетками, синапсы бывают не только нервно-мышечными. Синапсы существуют между нервными клетками и клетками желез и, что очень важно, между различными нервными клетками, как будет показано дальше. Во всех этих местах основной является химическая передача сигнала, в которой участвует масса различных нейромедиаторов. Однако почему химическая передача сигнала предпочтительнее электрической?
Одна из причин заключается в том, что и более низкая скорость, и сложность механизма более приемлемы, когда интеграция множества сигналов может давать преимущество. Другой причиной может быть просто то, что такой способ передачи сигналов отражает путь эволюции сигнального механизма клеток. Многие простейшие организмы, состоящие из единственной клетки, такие как бактерии, передают информацию друг другу с помощью химических мессенджеров, что позволяет им действовать как огромная команда со скоординированными стратегиями защиты и нападения. Также использование химических веществ для передачи информации от одной клетки к другой не ограничивается нервной системой. Химические мессенджеры широкого действия, известные как гормоны, передают информацию между клетками нашего организма, которые расположены на довольно большом расстоянии. Множество разных гормонов постоянно циркулируют в организме, влияя на наше настроение, поддерживая водно-солевой баланс, стимулируя рост клеток, настраивая нас на борьбу со стрессами и даже регулируя секрецию других гормонов. Феромоны, переносимые по воздуху, обеспечивают коммуникацию между организмами и действуют как сексуальные признаки (аттрактанты), территориальные метки и сигналы тревоги. Похоже, что нервы просто адаптировали эту универсальную химическую сигнальную систему для своих целей.
Глава 5 Как действуют мышцы
Над сельской кузницей каштан
Раскинул полог свой.
Кузнец, могучий исполин
С курчавой головой,
Железо там кует весь день
Железною рукой[21].
Генри Уодсворт Лонгфелло. Деревенский кузнец
На просторах сельского штата Теннесси встречаются очень необычные козы. Их называют по-разному: обморочными, столбенеющими, миотоническими — за то, что они падают при испуге. Такие определения совершенно неправильны, поскольку эти козы вовсе не падают в обморок и не лишаются сознания. Просто они теряют способность нормально ходить и нередко падают при испуге из-за того, что их мышцы деревенеют и ноги перестают гнуться. Все это напоминает чрезвычайно сильный спазм, при котором мышцы сокращаются настолько сильно, что животное можно даже поднять, а его ноги так и останутся прямыми, — оно буквально столбенеет от страха. Приступ продолжается всего несколько секунд, после чего коза убегает как ни в чем не бывало.
Происхождение миотонических коз покрыто тайной. Рассказывают, что в 1880 г. человек по имени Тинсли приехал на ферму в центральной части Теннесси и привез нескольких коз и индийского горбатого быка зебу. Он никому не рассказывал, где взял этих коз и откуда приехал сам. Через год он уехал в неизвестном направлении, а коз оставил. По другой истории, выдаваемой за подлинную, странное поведение коз проявилось, когда одну из них застрелили, чтобы съесть на ужин. Единственное, чему можно верить, является то, что раздражитель вроде резкого громкого звука заставляет их падать, например, когда уличный оркестр начинает неожиданно играть или проходящий поезд дает гудок. В некоторых городках Теннесси состязания по «паданию в обморок» даже являются частью ежегодной выставки коз, а козам, которые падают в обморок быстрее всех и остаются лежать дольше остальных, присуждают приз. Против этого, наверное, выступают защитники прав животных, обвиняя устроителей состязания в жестокости. Однако миотонические козы обычно являются домашними любимицами, и их держат за необычность, а не как источник мяса. Электропроводка наших мышц
Мышцы, которые приводят в движение наши конечности, состоят из множества клеток, называемых мышечными волокнами. Они собраны в пучки, придающие мясу волокнистую структуру. Нервные клетки, управляющие мышцами, называют двигательными нейронами. В случае их повреждения или нарушения работы мышцы теряют способность двигаться в ответ на наше желание и постепенно атрофируются от бездействия. Это случается, например, при поражении двигательных нейронов, когда их прогрессирующая дегенерация приводит к слабости и атрофии мышц и в конечном итоге к нарастающей неспособности двигать конечностями и затруднениям при разговоре, глотании и дыхании.
Каждая мышечная клетка возбуждается отдельным двигательным нервным волокном, клеточное тело которого находится в головном или спинном мозге. Вместе с тем одна нервная клетка может возбуждать несколько тысяч мышечных волокон, поскольку ее концевая часть имеет множество ответвлений. Нерв и обслуживаемые им мышечные волокна совместно называются двигательной единицей, и, когда нерв возбуждает мышечные волокна, все они сокращаются синхронно. Мышечные волокна, входящие в двигательную единицу, распределены по мышце и нередко находятся довольно далеко друг от друга. Хотя это может показаться странным, в такой организации есть глубокий смысл. Она обеспечивает распределение усилия, генерируемого при возбуждении отдельного двигательного нерва, по всей мышце. В противном случае усилие было бы сконцентрировано в одном месте, а это чревато разрывом мышцы. В мышцах, отвечающих за мелкие движения, двигательные единицы формируются из меньшего числа мышечных волокон — мышцы пальцев человека, например, имеют меньше волокон на двигательную единицу, чем мышцы ног.
Три двигательные единицы окрашены в темно-серый, светло-серый и белый цвет. Каждый двигательный нерв начинается в спинном мозге и возбуждает множество мышечных волокон, из которых сложена мышца.
Контакт нерва с мышцей располагается около центральной части волокна, где нерв разделяется на несколько крошечных ответвлений, каждое из которых образует синапс с мышцей. О строении синапса мы говорили в предыдущей главе. Мышечная мембрана у нервного окончания образует многочисленные складки, увеличивающие площадь поверхности и позволяющие разместиться значительно большему числу ацетилхолиновых рецепторов. Возбуждение нерва приводит к обильному выбросу ацетилхолина, который диффундирует через синаптическую щель и присоединяется к рецепторам.
Как и в нервном волокне, да и во всех остальных клетках нашего организма, в мышечных волокнах существует разность потенциалов на мембранах, при этом потенциал внутри клетки более отрицателен, чем снаружи. Открытие каналов ацетилхолиновых рецепторов приводит к снижению этой разности потенциалов и смещает мембранный потенциал в положительную сторону. Точно так же, как и в нервных клетках, в результате изменения мембранного потенциала открываются натриевые каналы мышцы и генерируется электрический импульс (потенциал действия), который течет по мышечному волокну в обоих направлениях от точки зарождения. Потенциал действия быстро распространяется по поверхности мышечной клетки и затем достигает сети трубчатых впячиваний внешней мембраны, которые идут прямо в центр волокна (так называемых T-трубочек). Это позволяет потенциалу действия глубоко проникнуть в волокно и обеспечить одновременное согласованное сжатие всех сокращающихся нитей. Тот факт, что сокращение отдельно взятой мышечной клетки подчиняется закону «все или ничего», т.е. либо полностью, либо никак, был известен задолго до того, как выяснилось, что и потенциал действия подчиняется этому закону.
