Электрическая Вселенная. Невероятная, но подлинная история электричества - Дэвид Боданис

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».

Нервные волокна, которые Ходжкин и его еще даже более молодой коллега Хаксли извлекли из кальмара, превосходили размерами все, что могли дать животные более заурядные. Они были такими большими — шириной в карандашную линию, — что молодым ученым удавалось вводить в середину каждого тонкую стеклянную иглу. (Кальмар был мертв, однако нервные волокна его оставались «живыми» — в том смысле» что несколько часов они продолжали работать даже без своего хозяина.) Исследователи девятнадцатого века могли проводить измерения лишь по длине нерва, не имея возможности заглянуть внутрь него. Ходжкин и Хаксли могли теперь измерять электрические потенциалы внутри нервных волокон и сравнивать их с наружными.

Начальные их эксперименты оказались неудачными, поскольку полая игла царапала мембрану. Однако у Хаксли были хорошие руки, и со временем он научился с помощью миниатюрных зеркал, позволявших увидеть приближающие изгибы, вводить иглы, не повреждая хрупкий, еще живой нерв.

Уже в первые несколько недель Ходжкину и Хаксли удалось, используя изощренные методы нейрофизиологов, выдавить из аксона находящуюся внутри него кашицу — аксоплазму. Оказалось, что огромных ионов натрия в ней совсем немного, и это представлялось молодым ученым загадочным, поскольку в морской воде и в крови ионов натрия предостаточно — в конце концов, натрий входит в состав обычной поваренной соли (хлористого натрия). Соленый вкус морской воды либо крови — кальмара или человека, не важно, — как раз и свидетельствует о присутствии в ней этих ионов. Что-то входящее в состав мембраны захватывало ионы натрия, эти огромные модифицированные атомы, и проталкивало их сквозь мембрану, отчего они накапливались снаружи нерва.

Это было прекрасно — возможность детально разглядеть то, о чем немецкие исследователи 1860-х только догадывались. Кальмар создавал запасы ионов натрия на поверхности мембраны своих нервных клеток. Но почему? Кое-какие догадки на этот счет у молодых ученых имелись — как-никак они изучали физиологию в Кембридже, где работали лучшие специалисты мира, — однако, прежде чем они смогли пойти дальше, разразилась война. Ходжкину пришлось работать над радаром, Хаксли оказался в Адмиралтействе, и вернуться к полноценным исследованиям им удалось лишь в 1947 году. Молодая жена Ходжкина, Марни, писала своим родителям: «Алан… похож на неожиданно получившего свободу дельфина… спустя столь долгое время он снова смог нырнуть в чистую науку и теперь скачет и кувыркается в ней…»

Необходимость прервать исследования была, разумеется, неприятной, однако годы, потраченные на разработку радара, прошли не впустую. Ходжкин и его коллеги военного времени постоянно использовали давно уже сложившиеся представления о том, что электрический ток с большей легкостью протекает по пути широкому и гладкому. На таком пути больше доступных электронов, и, стало быть, «сопротивление» его невелико. А вот по узкому пути электрическому току продвигаться труднее, так как он встречается с большим сопротивлением. Поскольку нервные волокна в массе своей очень тонки (не считая огромных нервных волокон кальмара), они оказывают значительное сопротивление пытающемуся протиснуться сквозь них электричеству. Как объяснял впоследствии Ходжкин, «приглядевшись к нервной системе, инженер-электрик увидит, что перенос сигнальной электрической информации по [узким] нервным волокнам составляет проблему попросту пугающую… [Нервное] волокно мало настолько, что… электрическое сопротивление одного его метра примерно равно сопротивлению 10 000 000 000 миль [более толстого] медного провода, а это близко к расстоянию, которое отделяет Землю от Сатурна.

Если бы инженера-электрика попросили опутать проводкой Солнечную систему, он столкнулся бы с немалыми трудностями».

Нервы должны были работать как-то иначе. Электрический ток не мог протекать посередине аксонов — электрические искорки, которые по представлениям Александера Белла катили по медному проводу его телефона, там пройти не могли. Вместо этого нервы должны были подпитываться со стороны, получая регулярные всплески дополнительного напряжения от чего-то, находящегося снаружи. Все выглядело так, точно инженер, понимавший, что поддерживать постоянный уровень сигнала в длинном проводе будет трудно, предусмотрительно установил вдоль него — через равные промежутки — несколько триллионов подпитывающих устройств.

Вот ими-то и были огромные ионы натрия. Они помогали прохождению нервного сигнала. (Дальнейшие исследования показали, что для проводимости нервных волокон не менее важны и ионы калия, но, поскольку работают они аналогичным образом, мы будем для простоты держаться за натрий.) Когда у нас рождается мысль и нервная клетка нашего мозга выстреливает сигнал, он, не будь этих заряженных ионов натрия, протискивающихся снаружи внутрь клетки, заглох бы, не пройдя и доли миллиметра. Ходжкин и Хаксли показали — и это принесло им Нобелевскую премию, — что клеточная мембрана отнюдь не является сплошным эластичным барьером, непроницаемым и замкнутым, держащим наши мысли под запором в уютных фрейдистских глубинах. Нет, она, скорее, вмещает множество маленьких брешей, которые расширяются, чтобы пропускать ионы натрия. В большом количестве им просачиваться внутрь не приходится — лишь по нескольку тысяч на каждый миллиметр, — но этого хватает.

Все, что запускает натриевые подпитывающие устройства, порождает сигнал. К примеру, в глазах человека, который смотрит на экран компьютера, излучаемые экраном электрические волны ударяют в обладающие замысловатой формой молекулы содержащегося в сетчатке вещества, именуемого родопсином. Представьте себе эти молекулы как некие подобия пальм. Когда на них падает свет, молекулы скручиваются, точно листья пальмы под ударом тайфуна, и часть родопсина — «корни» пальмы — начинает вытягиваться «из земли». А поскольку родопсиновое дерево уходит корнями в раствор из ионов натрия, в основании каждого дерева образуются бреши. Ионы натрия вливаются в них, достигая лежащего ниже нерва, и это порождает сигнал.

При первом ударе натрия по самому кончику нерва с ближайшим миллиметром нервной мембраны происходит нечто странное: она начинает коробиться, пузыриться, искривляться, а затем в ней открываются отверстия, через которые внутрь вливаются ионы натрия. Их появление внутри нервной клетки приводит в такое же состояние следующий участок мембраны — и в нем тоже открываются отверстия. Натрий, скопившийся на мембране, проникает и в этот участок — и такая последовательность событий повторяется по всей длине нерва.

После того как сигнал проходит по всему нерву, нерв этот обращается в подобие грязной, раскисшей губки, покрытой дырами и пропитанной натрием. Прежде чем он снова сможет заработать, ему необходимо восстановиться — извергнуть из себя излишки натрия и закрыть отверстия. Этот процесс — вывод ионов натрия на внешнюю поверхность мембраны и закупорка отверстий, через которые они могут просочиться внутрь, — требует таких энергетических затрат, что 8о процентов поступающей в наш мозг энергии, весь сахар и кислород, все питательные остатки бифштексов, мюслей, засахаренных овсяных хлопьев и шоколадок, уходят именно на то, чтобы закупорить отверстия, через которые в нервные клетки просачивается натрий.

Иногда восстановление нервных клеток замедляется. На холоде ваши пальцы становятся словно деревянными. Это происходит потому, что жировая оболочка их нервных клеток застывает, совершенно так же, как оставшийся на тарелке жир съеденной вами бараньей котлеты. В результате натриевые насосы нервных клеток начинают работать хуже, чем они работают в тепле. Именно поэтому нам необходимо согреться перед тем, как заняться каким-либо делом, требующим изощренного управления нашими двигательными нервами. Великий пианист Глен Гульд, бывало, не находил себе перед концертом места, пока ему не удавалось отыскать раковину умывальника или просто ведро с горячей водой, в которую он мог окунуть руки. Критики посмеивались над ним — пока он не усаживался за инструмент. После того как застывшая жировая оболочка его нервных клеток размягчалась и открывался путь для насыщенных электрической энергией ионов натрия, шедевры Баха обращались в шедевры Гульда. (Аналогичным образом — только наоборот — работают и кубики льда, которые прикладывают к мочкам ушей перед тем, как их проколоть.)