Ефим Терлецкий - Металлы, которые всегда с тобой
Нервы — живые провода
Разделённые мембранами ионы калия и натрия становятся главными исполнителями ещё одного удивительного действа — передачи нервного импульса. Характерно, что природа для распространения сигналов пользуется теми же средствами, что и человек,— вернее, мы скопировали у природы способ электрической передачи информации. Единственное различие здесь, пожалуй, в том, что природа прибегает одновременно и к услугам химии. Иными словами, передача нервного импульса (сигнала) происходит при помощи разности потенциалов, создаваемой ионами.
Предположение о химической природе нервного возбуждения было высказано тем же Дюбуа-Реймоном ещё в 1877 году; однако его подтверждение — уже достижение современного естествознания.
Как известно, передача нервного раздражения происходит благодаря специальным нервным клеткам — нейронам. Их особенностью является то, что они имеют многочисленные отростки разных размеров, один из которых, самый длинный, называется аксоном и служит проводником сигналов для органа, с которым соединяется. Аксон представляет собой нечто вроде изолированного телеграфного кабеля. Впрочем, сравнение это несколько условно; аксон похож скорее на трубу, в которой находится жидкость, и сам он погружён в жидкость. Обе эти жидкости — и наружная, и внутренняя — хорошо проводят электрический ток, ибо содержат растворённые соли.
И здесь, как и во всякой живой клетке, мы опять встречаемся со знакомой картиной. В жидкости, омывающей аксон, содержатся ионы натрия и хлора; во внутренней жидкости — катионы калия и органические анионы. Разумеется, такая конструкция проводника уступает проволочному кабелю в электропроводности (примерно 100 м/с против почти мгновенной у медного провода). Но для данных целей этого, видимо, достаточно, ибо природа пошла несколько иным путём: у животных, которые должны ответить мгновенной двигательной реакцией на те или иные опасные ситуации (например, реактивное движение кальмара), развились гигантские аксоны с большим поперечным сечением для быстрой передачи импульса. Мы не напрасно упомянули о кальмарах. Для электрофизиологических экспериментов именно их аксоны являются идеальными объектами; при этом выводы, полученные при исследовании, можно смело распространить и на все другие нервные волокна.
Счастливой находкой такого замечательного объекта для выяснения природы нервного импульса наука обязана английским исследователям А. Ходжкину и Э. Хаксли, работавшим в Морской биологической лаборатории в Плимуте.
Логично предположить, что у очень крупных кальмаров должны быть невиданных размеров аксоны. А такие кальмары, или, как их называют, спруты, многократно описанные в приключенческих книгах, действительно существуют, и их тела могут достигать десятков метров. Одни глаза у таких чудовищ величиной с тарелку, можно представить, какие же у них шупальца! Но, увы, такие экземпляры встречаются крайне редко, и вряд ли их можно поймать да ещё невредимыми доставить к столу экспериментатора. Физиологи для своих исследований применяют аксоны небольших кальмаров с полуметровыми щупальцами. Зато одиночное нервное волокно у них толще, чем у позвоночных животных, чуть ли не в 1000 раз. Вот такой аксон и называют гигантским. В него можно вводить микроэлектроды и замерять различные характеристики электрического тока.
Электричество внутри нас
Начав работу в конце 30-х годов, Ходжкин и Хаксли за свои классические исследования нервных клеток в 1963 году получили Нобелевскую премёю. Они детально изучили события, с которыми связано прохождение электрического импульса по нервному волокну, выявили их зависимость от концентрации ионов калия и натрия. И установили следующее.
Когда нервная клетка находится в покое, внутри её наблюдается отрицательный заряд, возникающий не без участия мембраны. Его называют потенциалом покоя, и он равен -- 70 мВ. Как только клетка получает команду к действию — сигнал возбуждения, резко возрастает проводимость мембраны для ионов натрия и калия (что происходит в результате деятельности белков, образующих каналы для прохода). Потенциал покоя падает до нуля — как говорят, мембрана деполяризуется. Затем напряжение возрастает до положительной величины +50 мВ. Оно возникает потому, что при образовании каналов катионы натрия проникают в клетку, а катионы калия, наоборот, выходят наружу, правда, с некоторым запозданием. Изменение отношений их концентраций и приводит к перемене знака потенциала. В этой тонкости и заключён весь смысл передачи нервного импульса. Это уже потенциал действия. Он длится 10 мс, из которых примерно 1 мс приходится на пиковый потенциал. Величина потенциала действия равна алгебраической сумме потенциала покоя и потенциала, образованного движением катионов натрия и калия: +50—(—70) = 120 мВ. Вот такие сигналы, словно точки и тире азбуки Морзе, управляют нашими действиями.
В течение многих лет физиологи пытаются изменить концентрации по обе стороны мембраны аксона, манипулируя различными вещёствами, но вывод остаётся один: натрий и калий в определённых концентрациях ответственны за образование потенциала покоя и действия. Впоследствии выяснили, что ионы этих металлов проходят через мембрану нерва по разным каналам. Наиболее убедительные доказательства этого были получены при использовании сильнейшего нервного яда — тетродотоксина, который содержится в органах рыбы-собаки. Любопытно, что один из её видов является деликатесом в Японии. Фугу — так японцы называют эту рыбу — бывает ежегодно причиной смертельного отравления десятков людей, но это не останавливает любителей полакомиться экзотическим блюдом. Собственно говоря, такой ядовитой рыбой и заинтересовались учёные, а потом уж был выделен чистый кристаллический препарат тетродотоксина, который и нашёл применение в исследовании ионной проводимости. Его высокая специфичность действия была использована для оценки числа натриевых каналов в мембране нервной клетки. Оно весьма невелико, всего несколько десятков на 1 мкм2.
Предполагается, что перемещёние в этом случае ионов натрия подчиняется обычным законам диффузии. Но такой вывод не относится к"ионам калия. Число калиевых каналов в мембране нерва значительно больше, и не исключено, что они транспортируются специальными переносчиками.
Значительное место отводится также металлам-братьям и в биохимических представлениях о мозговой деятельности. Известно, что память у нас бывает двух типов: кратковременная и длительная. Скажем, конспектируя, лекцию, мы запоминаем слова на несколько секунд непосредственно перед записью. Это память кратковременная. Длительной памятью мы пользуемся тогда, когда нужно что-нибудь запомнить надолго.
