Более полутора столетий после Гальвани ученые искали методы измерения электрических импульсов нашей нервной системы и пытались понять, что они означают. Еще больше времени потребовалось для обнаружения ионных каналов, которые отвечают за электрическую активность, однако их открытие перевернуло наши представления. Идеи, которые я пыталась постичь в студенческие годы и которые не раз были причиной бессонных ночей (особенно накануне экзаменов), вдруг обрели предельную ясность. В этой главе мы перенесемся в сегодняшний день и познакомимся с современными представлениями о работе ионных каналов. Сначала, однако, полезно дать определение электричеству и понять, чем электричество в наших головах отличается от электричества в розетке.
Святая троица
Электричество представляет собой форму энергии, связанную с электрическим зарядом – одним из фундаментальных свойств внутриатомной материи. Электрический ток, который течет по проводам в наших домах – и по нашим нервным волокнам, – описывается количественно с помощью трех базовых единиц: ампера (А), вольта (V) и ома (Ω). Они названы так в честь трех выдающихся европейских физиков XVIII в.: француза Андре Мари Ампера, итальянца Алессандро Вольта и немца Георга Ома. Ток измеряют в амперах, сопротивление току – в омах, а напряжение, силу, которая вызывает электрический ток, – в вольтах.
Законы течения электричества через проводник нередко объясняют с помощью аналогии – законов течения воды в трубе. Ток зависит от интенсивности движения потока заряженных частиц, при этом одному амперу соответствует прохождение примерно шести квинтиллионов (6 × 1018) частиц в секунду.
Сопротивление – это мера легкости или затрудненности потока. Сужение в трубе ограничивает поток воды, а увеличение диаметра трубы приводит к усилению ее потока. В электрической цепи материалы, которые обладают низким сопротивлением току, например металлы, называют проводниками, а материалы, препятствующие течению электричества, например бумагу или воздух, называют изоляторами. Прикоснитесь к оголенному проводнику электрической изгороди – и вы получите неприятный удар током, а прикосновение к изолированной ручке на калитке в этой изгороди ничем вам не грозит.
Напряжение между двумя точками эквивалентно перепаду давления, которое заставляет воду течь из одного места в другое. По существу это сила, которая создает электрический ток. Его также называют разностью электрических потенциалов (или просто потенциалов). Если две точки не соединены друг с другом, то вода не будет течь между ними. Аналогичным образом электрический ток течет только тогда, когда цепь замкнута. Именно поэтому между грозовой тучей и землей может возникать огромное напряжение, но ток не будет течь до тех пор, пока молния не пробьет разделяющий их слой воздуха. Это также объясняет, почему электроны не движутся по проводнику, пока электрическая цепь не замкнута, иными словами, почему ваша настольная лампа не горит до тех пор, пока вы не нажмете на выключатель, связывающий провода. Точно так же, как повышение давления усиливает течение воды, повышение напряжения увеличивает ток. При повышении подаваемого на лампу напряжения, например, лампа светит ярче.
Земля имеет наименьший потенциал, поэтому ток, как и вода, которая течет в сторону более низкой точки, всегда течет в направлении земли
[8]. Люди обнаружили это давно. В 1785 г. Жозеф-Эньян де Лафон был озадачен, обнаружив, что в опыте с сильно заряженной лейденской банкой и 60 взявшимися за руки людьми удар электрического тока ощущали всего лишь шесть человек в начале цепочки. Почему ток останавливался на шестом человеке, было загадкой. Возможно, его организм обладал особыми качествами. Возникла гипотеза, что молодой человек, стоявший шестым в цепочке, был наделен «не всем, что полагалось мужчине», иными словами, он обладал не всеми естественными атрибутами. По Парижу быстро разнесся слух о том, что евнухи не проводят ток.
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]
