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.
