Фрэнсис Эшкрофт - Искра жизни. Электричество в теле человека
Герцог Шартрский, обладавший научным складом ума, потребовал доказательств. Для проверки предположения был проведен эксперимент на трех королевских вокалистах с понятными опасениями как со стороны испытуемых, так и тех, кто обладал всеми мужскими достоинствами. К всеобщему удивлению, все три кастрата в полной мере ощутили удар током. Загадка разрешилась лишь после многократного повторения эксперимента, когда заметили, что люди, дальше которых электрический разряд не распространялся, стояли на влажной почве. Поскольку сырая земля лучше проводит электричество, чем человеческое тело, ток уходит в землю[9]. Именно по этой причине вы получаете удар током при случайном прикосновении к оголенному проводу: земля имеет более низкий потенциал, чем провод в вашей руке, и ток течет через ваше тело в землю.
Амперы, вольты и омы неразрывно связаны друг с другом. Эту связь открыл Георг Ом, он сформулировал известный закон, который гласит, что ток (I) равен напряжению (V), деленному на сопротивление (R), или, если записать это в виде формулы: I = V/R. Иначе говоря, если сопротивление остается неизменным, то повышение напряжения приводит к увеличению силы тока. Аналогичным образом если сопротивление падает, а напряжение остается неизменным, то сила тока возрастает. И так далее. Эта простая формула, которая выражает закон Ома, является ключом к пониманию того, как работают нервы — и электричество[10]. Разные, как два полюса
Впрочем, между электричеством, обеспечивающим энергией наш организм, и электричеством, которое освещает наши города, есть фундаментальное различие. Электричество, подаваемое в наши дома, представляет собой поток электронов. Эти неделимые элементарные частицы имеют отрицательный заряд, и, поскольку противоположные заряды притягиваются друг к другу (а одноименные заряды отталкиваются), электроны всегда текут из области с отрицательным зарядом к области с положительным зарядом. Несколько сбивает с толку то, что за направление тока принимают направление потока положительных зарядов, т.е. мы считаем, что ток в проводе движется в направлении, противоположном тому, в котором текут электроны![11]
В отличие от этого практически все токи в живых существах представляют собой потоки ионов — атомов, имеющих электрический заряд. Токи в нашем организме обусловлены движением пяти основных видов заряженных частиц. Четыре из них имеют положительный заряд — натрий, калий, кальций и водород (протон), а один, хлор (хлорид-анион), — отрицательный заряд. В силу того, что ионы несут электрический заряд, их движение создает электрический ток. В случае положительных ионов ток течет в том же направлении, что и поток ионов, а в случае отрицательных ионов (как и электронов) — в противоположном направлении.
Стоит также отметить, что ток в электрической цепи течет вдоль проводника. В отличие от этого ионные токи, обеспечивающие передачу нервных импульсов, текут через клеточные мембраны внутрь клеток и из них. Таким образом, хотя электрические импульсы распространяются вдоль нервных и мышечных волокон, ионные токи, которые генерируют их, проходят под прямым углом к направлению распространения импульса.
Еще одно различие электрических сигналов в наших головах и в сети электроснабжения домов заключается в скорости их распространения. Электрический сигнал в проводах распространяется почти со скоростью света, составляющей 300 000 км/с. Именно поэтому свет загорается сразу же после щелчка выключателя, а телефоны и Интернет обеспечивают практически мгновенную связь по всему земному шару. Нервные импульсы по сравнению с этим ужасно медленные, самые быстрые из них распространяются со скоростью всего 0,12 км/с (120 м/с). Даже самый сообразительный из нас не может думать со скоростью света.
Помимо того, что генерируемые нами электрические импульсы медленные, они еще и очень слабые. Если электрическому чайнику для работы нужен ток силой три ампера, то сила токов, заставляющих сокращаться сердце, составляет всего несколько миллионных долей ампера. Наконец, хотя энергия необходима в обоих случаях, ее источник — батарея, если хотите, — производит ток совершенно разными способами, как будет показано далее.
Эти различия между животным электричеством и электричеством, подаваемым в наши дома, сейчас довольно легко перечислить, однако на то, чтобы выявить их, потребовались многие годы. Хотя фундаментальные свойства электричества были известны уже в начале XIX в., мы лишь в последние 60 лет стали понимать происхождение биоэлектричества и всего 15 лет назад узнали, что представляют собой молекулярные структуры (ионные каналы), с которыми связана электрическая активность клеток нервной и мышечной ткани. Кирпичики жизни
Наш организм — не более чем скопление клеток, миллионов и миллионов клеток, число которых так же велико, как и число звезд в галактике. Они очень разнообразны — клетки мышечной ткани, клетки мозга, крови и т.д., имеют разные формы и размеры, но все равно это один и тот же фундаментальный элемент организма. Роберт Гук открыл их в 1665 г., когда рассматривал небольшой кусочек пробки под микроскопом. Он назвал увиденное образование клетками, поскольку они ассоциировались у него с крошечными кельями, в которых жили монахи[12]. Чтобы лучше понять, на что они похожи, представьте себе пчелиные соты, сильно уменьшенные в размере.
Клетки изобилуют молекулами, которые вступают в сложные реакции, связанные с синтезом белков, воспроизводством ДНК и генерированием энергии. Однако для получения представления об электрических свойствах клеток нам достаточно рассмотреть процессы, происходящие на их поверхности, поскольку именно там возникает разность потенциалов и передаются нервные импульсы.
На этой схеме представлено строение клеточной мембраны. На ней видны два слоя липидных молекул и мембранные белки, в частности, ионные каналы и насосы. K+ — принятое в науке обозначение иона калия, Na+ — иона натрия.
Поверхность клетки представляет собой мембрану, которая окружает клеточное содержимое и служит границей с внешним миром наподобие стенки мыльного пузыря. Мембрана выстроена из жиров (научное название — липиды), а следовательно, она непроницаема для большинства водорастворимых веществ. Это следует из того простого факта, что жиры и вода не смешиваются. Любой, кто делал когда-либо заправку из уксуса и оливкового масла для салата, знает, что через некоторое время ингредиенты расслаиваются — внизу оказывается уксус, а наверху более легкое масло. Молекулы фосфолипидов, образующие клеточную мембрану, имеют притягивающие воду (гидрофильные) фосфатные головки и «любящие воду» (гидрофобные) липидные хвосты. Эти молекулы организуются и образуют двухслойную мембрану так, что их водоотталкивающие хвосты оказываются внутри между слоями фосфатных головок. Не думайте, однако, что мембранные липиды такие же твердые, как сливочное масло, — по консистенции они больше напоминают машинное масло, и белки, погруженные в них, плавают и должны каким-то образом крепиться к цитоскелету, чтобы занимать правильное положение.
Растворы внутри наших клеток и клеток всех других организмов на Земле богаты ионами калия и бедны ионами натрия. В отличие от этого кровь и другие внеклеточные жидкости, в которых находятся наши клетки, бедны ионами калия и богаты ионами натрия. За счет перепадов ионного состава генерируются электрические импульсы в наших нервных и мышечных клетках, поскольку они, как и перепад в уровнях воды перед плотиной и за ней, позволяют эффективно накапливать потенциальную энергию. Стоит открыться шлюзам, как тут же начинает высвобождаться энергия в результате перераспределения ионов, стремящихся к выравниванию концентраций с обеих сторон мембраны. Это движение ионов и порождает нервные и мышечные импульсы.
Трансмембранные градиенты концентрации натрия и калия (т.е. разница в их концентрациях внутри и вне клеток) поддерживаются крошечным молекулярным двигателем, так называемым натриевым насосом, пронизывающим клеточную мембрану. Этот белок выкачивает избыточные ионы натрия, которые просачиваются в клетку, и заменяет их на ионы калия. Если насос прекращает работать, то градиенты концентраций ионов постепенно снижаются, и когда они полностью исчезают, перестают генерироваться электрические импульсы точно так же, как разряженный аккумулятор перестает приводить в действие стартер вашего автомобиля. Как следствие, органы чувств, нервы, мышцы, в общем, все клетки организма просто впадают в ступор. Именно это происходит, когда мы умираем. Поскольку у нас больше нет энергии, чтобы питать натриевый насос и поддерживать перепад концентраций ионов на клеточных мембранах, наши клетки быстро прекращают функционировать. И хотя внешние разряды электричества способны создавать электрические импульсы в нервных и мышечных клетках, они не могут восстановить градиент концентрации ионов на клеточных мембранах после того, как насосы перестают работать. Вот почему нам не удается реанимировать мертвое тело с помощью электричества, и вот почему искра жизни отличается от электричества, подаваемого в наши дома.
