Прогресс, подтвержденный расчетом
После измерения амплитуды и продолжительности натриевых и калиевых токов Ходжкину и Хаксли нужно было доказать, что они достаточны для генерирования нервного импульса. Ученые решили сделать это теоретически, путем расчета ожидаемой продолжительности потенциала действия. Они предположили: если удастся построить математическую модель нервного импульса, это даст веское основание считать, что он является результатом только зарегистрированных токов. Хаксли пришлось решать сложные уравнения на механическом арифмометре, поскольку вычислительная машина Кембриджского университета была «недоступна» в течение полугода. Как ни странно это выглядит сейчас, но университет тогда располагал всего одной ЭВМ (по правде сказать, это была первая электронная вычислительная машина в Кембридже). На расчет потенциала действия у Хаксли ушло около трех недель: мы продвинулись далеко вперед с тех пор – моему нынешнему компьютеру требуется всего несколько секунд для проведения тех же вычислений. Не менее замечательно, пожалуй, и то, что мы до сих пор пользуемся уравнениями, составленными Ходжкином и Хаксли для описания нервного импульса.
В 1952 г., через три года после завершения экспериментов, Ходжкин и Хаксли опубликовали результаты своей работы в эпохальной серии из пяти статей, которые навсегда изменили наши представления о том, как работают нервы. Такой большой разрыв во времени между получением результатов и публикацией кажется невероятным для сегодняшних ученых, которым соперники постоянно наступают на пятки. Но в 1950-е гг. все было по-другому. Хаксли как-то сказал мне, что «такое даже в голову не приходило». В 1963 г. Ходжкин и Хаксли были удостоены Нобелевской премии. Они получили ее по праву – их результаты были выдающимися, а анализ настолько точным, что произвел революцию в сфере исследований нервной системы и заложил фундамент современной нейрофизиологии.
Борьба за кальмаров
Эксперименты Ходжкина и Хаксли вызвали волну интереса и круглогодичный приток ученых в морские лаборатории Плимута и Вудс-Хоула. Поскольку кальмары кочующий вид, а ученые обычно занимаются преподаванием, лаборатории были обречены на превращение в «летние лагеря для исследователей» и в инкубатор идей и новых экспериментов. В особенности это касалось Вудс-Хоула. Кальмаров не хватало, и за лучшие образцы шла настоящая битва, так что очень быстро складывалась неофициальная иерархия получателей. В середине 1960-х гг. борьба за кальмаров стала настолько острой, что некоторые ученые стали искать другое место для работы зимой, и Монтемар неподалеку от Вальпараисо в Чили оказался идеальным для этого. К тому же чилийские кальмары – и их аксоны – были значительно крупнее.
Хотя в наши дни для исследования механизма генерирования и передачи нервных импульсов используются и другие виды клеток, включая клетки мозга млекопитающих, аксон кальмара по-прежнему остается ценным объектом экспериментов. В 1940-х гг. те немногие кальмары, которых вылавливали в Плимуте, оказывались настолько помятыми тралами рыболовецких судов, что жили очень недолго после доставки в лабораторию. В результате этого эксперименты надо было проводить немедленно. Рыболовецкие суда возвращались, как правило, ближе к вечеру, и работать приходилось всю ночь напролет. Поэтому по утрам Ходжкин и Хаксли отсыпались и планировали эксперименты. Когда я была в Вудс-Хоуле в 1980-х гг., распорядок дня там был таким же, и многие ученые после ночного бдения в лаборатории добирались до постели только на рассвете. Сегодня в Чили кальмаров часто ловят на удочку и повреждают значительно меньше. Однако из-за громадных размеров для тамошних кальмаров не так-то просто подобрать подходящий резервуар, поэтому ученые все равно вынуждены работать в ночную смену.
Со времен, проведенных в Вудс-Хоуле, я знаю, что аксоны, дающие наилучшие результаты, оставляют о себе память самым необычным образом. В конце эксперимента они взмывают вверх и шлепают по потолку лаборатории, оставляя узор из засохших закорючек. Со временем они так раскрасили потолок, что он стал смахивать на картины Джексона Поллока. Однако до потолка достают не все аксоны, «на небеса возносятся» только лучшие.
Огонь!
Натриевые и калиевые каналы, которые открываются в ответ на изменение потенциала на клеточной мембране, являются ключевыми элементами механизма генерирования электрических сигналов в нашем мозге, сердце и мышцах. Когда нервные клетки находятся в состоянии покоя, и те и другие каналы плотно закрыты. При возбуждении нерва сначала натриевые каналы, а вслед за ними с небольшим отставанием и калиевые каналы начинают действовать, создавая кратковременное изменение мембранного потенциала – нервный импульс. Однако что инициирует этот процесс?
Важно то, что натриевые и калиевые каналы, участвующие в генерировании потенциала действия, чувствительны к потенциалу и открываются, если мембранный потенциал становится более положительным (деполяризация). Именно это происходит, когда нервная клетка возбуждается под влиянием входящего сигнала от другой нервной клетки или под действием внешнего электрического разряда. Чем больше при этом изменяется мембранный потенциал, тем больше открывается натриевых каналов и больше ионов натрия поступает в клетку. Помните, в соответствии с законом Ома изменение тока вызывает соответствующее изменение разности потенциалов? В нервной клетке натриевый ток сдвигает потенциал в положительном направлении, это приводит к открытию дополнительных натриевых каналов, что делает мембрану еще более положительной и приводит к открытию новых каналов, и т. д. Иными словами, возникает цикл с положительной обратной связью. Этим и объясняется взрывной, соответствующий закону «все или ничего» характер потенциала действия.
Два фактора возвращают мембранный потенциал к уровню покоя. Во-первых, натриевые каналы не бесконечно остаются открытыми при положительных мембранных потенциалах и в конечном итоге закрываются. Этот процесс называется инактивацией. Во-вторых, открываются калиевые каналы, и ионы калия уходят из клетки, восстанавливая дисбаланс зарядов и вновь сдвигая потенциал в отрицательном направлении. И это хорошо, что калиевые каналы открывают позже натриевых, ведь если бы они открывались одновременно, то натриевый и калиевый токи компенсировали бы друг друга, а значит, не было бы ни нервных импульсов, ни мыслей, ни действий.
Ужасная гадость
Значение натриевых и калиевых каналов для генерирования нервного импульса подчеркивается тем фактом, что яды пауков, моллюсков, актиний, лягушек, змей, скорпионов и множества других экзотических существ воздействуют именно на эти каналы и, таким образом, нарушают функционирование нервов и мышц. Многие яды очень специфичны и нацелены на какой-нибудь один вид ионных каналов. Ну вот мы и вернулись к капитану Куку и иглобрюху.
Тетродотоксин, содержащийся в печени и других тканях этой рыбы, является сильнодействующим блокатором натриевых каналов в нервной ткани и скелетных мышцах. Он вызывает онемение и покалывание губ и рта уже через 30 минут после попадания внутрь. Ощущение покалывания быстро распространяется на лицо и шею, потом на пальцы и ступни, а затем наступает паралич скелетных мышц – человек теряет равновесие, начинает бессвязно говорить и не может пошевелить ни руками, ни ногами. В конечном итоге наступает паралич дыхательных мышц. На сердце яд не влияет, поскольку в его клетках натриевые каналы другого типа. Токсин также не может преодолеть гематоэнцефалический барьер, поэтому, как это ни ужасно, обездвиженная и умирающая жертва остается в сознании. Противоядия не существует, и смерть обычно наступает в интервале от двух часов до суток. В 1845 г. врач на борту голландского брига Postilion, идущего мимо мыса Доброй Надежды, был свидетелем того, как два моряка «умерли в течение 17 минут после того, как съели печень рыбы». Вместе с тем пострадавшие могут полностью восстановиться, если поддерживать искусственное дыхание до тех пор, пока яд не будет выведен из организма. Это требует нескольких дней.
