Электрическое оружие и электролокаторы
На электрических рыбах впервые достоверно установили возможность выработки электричества животными, на них Фарадей показал, что электричество животных ничем не отличается от электричества гальванических элементов или электрических генераторов. Как же устроены электрические органы рыб?
Основу этих органов составляют столбики из плоских клеток, лежащих друг на друге, как пары медь – цинк в вольтовом столбе или как стопка монет, К одной поверхности каждой клетки подходит нервное окончание. Когда орган находится в покое, обе стороны каждой клетки имеют одинаковый потенциал и ток через орган не идет, Когда же по всем нервным волокнам одновременно приходят импульсы, постсинаптическая мембрана резко повышает свою проницаемость к ионам и потенциал на ней падает до нуля. Это приводит к возникновению тока, текущего через клетку. Все клетки столбика соединены последовательно и поэтому их потенциалы суммируются, как в последовательно соединенных гальванических элементах. Такое объяснение дал работе электрических органов рыб создатель мембранной теории биопотенциалов
Ю. Бернштейн в своей книге «Электробиология». Это объяснение в своей основе оказалось верным, а для некоторых электрических рыб и вполне точным. Что касается электрического угря, то у него мембрана той стороны клетки, на которую действует синапс, оказалась электрически возбудимой, так что при приходе нервного импульса она не просто снижает свой потенциал до нуля, а перезаряжается, что обеспечивает более высокую разность потенциалов, генерируемую каждой клеткой. У скатов и звездочетов клетки электрических органов таковы, что ни одна из их мембран не способна генерировать импульсы.
Читатель уже знает, что одиночная клетка обладает ПП порядка 60 мВ и даже при возбуждении возникающий ПД имеет амплитуду всего порядка 120 мВ. Между тем*' электрический угорь умеет создавать напряжение 800 – 900 В, а нильская щука и нильский сом – напряжение 200–350 В. Как говорилось, это обеспечивается последовательным соединением многих клеток. У электрического угря последовательно соединены более 6 000 клеток,
Однако задача электрического органа состоит не в том, чтобы создать возможно большую Э.Д.С. Дело в том, что часть Э.Д.С. всегда «теряется» на внутреннем сопротивлении источника. А электрический орган должен обеспечивать возможно большую разность потенциалов в наружной среде. Ясно, что чем большую силу тока обеспечит электрический орган, тем больше будет и падение напряжения в наружной среде. Рассмотрим эту проблему более подробно.
Сила тока, создаваемого электрическими органами и текущего через воду, по закону Ома для всей цепи равна: / = E/. Если у нас имеется много гальванических элементов, то их можно соединить либо последовательно, либо параллельно, либо смешанным образом, образуя «столбики» из последовательно соединенных элементов и соединяя эти «столбики» параллельно друг другу. Пусть в нашем распоряжении имеется ограниченное число элементов – п. Пусть сопротивление наружной среды задано и равно R, а внутреннее сопротивление элемента равно г и его э. д. с. равна Е. Как выгоднее соединить элементы, чтобы получить максимальную силу тока в цепи, а значит и максимальное падение напряжения на внешнем сопротивлении? Давайте будем соединять в один столбик х элементов, тогда число столбиков будет равно п/х. Общая э. д. с. такой системы будет равна Ех. Внутреннее сопротивление одного столбика будет равно гх, а полное внутреннее сопротивление всей системы в nix раз меньше, т.е. равно гх²/п. Тогда для силы тока мы получим выражение , Это выражение имеет максимум, когда гх^г1п = R, т.е. когда внутреннее сопротивление всей системы равно внешнему.
А теперь посмотрим, в какой мере законы физики влияли на ход эволюции электрического органа. Для пресноводных рыб сопротивление окружающей среды весьма велико и для достижения максимального эффекта необходимо увеличивать х, т.е. число последовательно соединенных элементов. Поэтому электрический угорь – обитатель болот Южной Америки – имеет электрический орган, клетки которого в основном соединены последовательно, в то время как столбиков у него мало. Совсем другая ситуация у ската Торпедо, обитателя Средиземного моря, ведь сопротивление соленой морской воды относительно мало, И в электрическом органе ската клетки соединены совсем иначе: последовательно соединены всего 400 клеток, зато число параллельно соединенных столбиков велико. В результате электрический орган ската создает силу тока порядка 50 А, так что падение напряжения даже в соленой воде оказывается достаточно заметным, порядка 50 В, Таким образом, общий ход эволюции электрических органов вполне соответствует ожиданиям физика.
Мы видим, что морским электрическим рыбам важно сделать внутреннее сопротивление своего генератора как можно ниже, для этого они и соединяют так много столбиков параллельно. Но есть и еще один способ снизить это сопротивление – снизить сопротивление мембран каждой клетки. Оказывается, эволюция использует и этот способ. У одной мембраны клеток органа, той, на которой находится синапс, сопротивление при возбуждении становится низким, так как в ней открываются многочисленные ионные каналы, а сопротивление противоположной мембраны тоже относительно невелико за счет ее большой площади: она вся покрыта складками, выростами и т.д.
Законы физики и условия среды обитания определяют пути эволюции электрических органов, и последние развиваются сходным образом, хотя и происходят у разных рыб из разных тканей. Например, у скатов клетки электрических органов возникли из мышечных клеток, потерявших возбудимость, фактически, от этих клеток осталась только синаптическая область; постепенная атрофия остальной части мышечной клетки хорошо прослежена при изучении развития рыбы из икринки. Медиатор, действующий на электрический орган, – тот же ацетилхолин, который возбуждает и мышечные клетки позвоночных, поэтому разряд органа можно вызвать не только раздражением подходящего к нему нерва, но и введением, ацетилхолина в идущую к нему артерию. У электрического угря орган тоже имеет мышечное происхождение, однако у некоторых электрических рыб электрические органы возникли не из мышечных, а из нервных клеток, а у африканского электрического сома – из клеток кожных желез. Это не должно удивлять читателя, который уже знает, что не только нервы и мышцы способны к электрическим реакциям.
Такие рыбы, как электрический скат или электрический угорь, затрачивают при разрядах электрического органа заметную энергию, В связи с этим они используют свои электрические органы сравнительно редко. У электрического угря есть еще дополнительные электрические органы, гораздо меньшей мощности, которые используются для ориентации и обнаружения добычи. У слабоэлектрических рыб, которые используют свои электрические органы только для ориентации, часто наблюдается совсем другой режим работы – непрерывные разряды. Например, у рыбы гимнарха электрические органы постоянно работали с частотой 300 Гц.
Важная проблема, которая стоит перед всеми электрическими рыбами, – проблема синхронизации, т.е. проблема вызова одновременного возбуждения всех клеток, образующих электрический орган. Она решается, прежде всего, с помощью ЭС. Нейроны разных уровней, управляющие электрическим органом, связаны между собой ЭС и поэтому разряжаются практически одновременно. У электрических рыб обнаружены рефлекторные цепи, которые ведут к возбуждению электрического органа; в этих цепях осуществляется последовательная передача сигналов между тремя типами нейронов, причем сигналы передаются только через ЭС. Однако одновременного возбуждения нейронов, действующих на клетки электрического органа, еще не достаточно для одновременного возбуждения самих этих клеток, так как сотни и тысячи клеток «столбиков» расположены на разных расстояниях от нейронов. Аксоны этих нейронов имеют разную скорость проведения: к более удаленным клеткам сигнал идет с большей скоростью.
Как поймать рыбу в мутной воде? А также про электроразговоры
Для существа, обладающего чувствительными электрорецепторами, обнаружить рыбу в мутной воде несложно; для этого достаточно зарегистрировать электрические поля, возникающие при работе ее сердца или дыхательных мышц. Так обнаруживают добычу акулы или скаты. Но рыбы, обладающие электрическими органами, оказались способными решить и более хитрую задачу: обнаружить в непрозрачной воде предметы, которые сами по себе не создают электрических полей. Как же электрические рыбы решают эту задачу?
Сначала думали, что эти рыбы обладают электролокаторами, такими же, как радиолокаторы для обнаружения самолетов. Предполагалось, что эти рыбы генерируют своими электрическими органами сигнал и принимают отраженную от посторонних предметов волну с помощью электрорецепторов. Однако простейшая прикидка показывает, что такой принцип работы невозможен для живых организмов. Рыба обнаруживает посторонние предметы на расстоянии в десятки сантиметров, а электромагнитные волны проходят такие расстояния за слишком короткие времена. Миллиардные доли секунды живые существа измерять не могут. Как же рыбы с помощью электрических органов обнаруживают в воде посторонние предметы?
Лиссман изучал эту способность рыб так. У рыбы вырабатывался условный рефлекс. В аквариум, в котором она содержалась, помещали два цилиндрика одинаковых размеров, обладающих таким же удельным сопротивлением, как вода аквариума, и пустых внутри. В цилиндрики помещались вещества с разным удельным сопротивлением. Рыбу обучали выбирать цилиндрик с более низким удельным сопротивлением. При правильном выборе она получала пищу, а при неправильном – удар палочкой. Через некоторое время рыба уверенно выбирала нужный цилиндрик, несмотря на то, что два цилиндрика все время меняли местами случайным образом. Если же в цилиндриках находились вещества, отличающиеся химическим составом, плотностью и др., но с одинаковым удельным сопротивлением, обучение было безуспешным. Итак, рыбы при обнаружении посторонних предметов могут использовать отличие их удельного сопротивления от сопротивления воды.
Мы уже говорили, что гимнарх все время генерирует электрические импульсы, так что вокруг его тела в воде текут токи. Если изобразить плотность тока с помощью густоты линий, то картина токов вокруг рыбы выглядит примерно так, как изображено на рис. 64. Если в воду внесено проводящее тело, то картина меняется, как на рис. 64, справа, если изолятор–как на рис. 64, слева. Искажение электрического поля меняет сигналы электрорецепторов рыбы.
Нервная система электрической рыбы содержит сложную систему обнаружения. Ее мозг сравнивает сигналы от многих рецепторов. Это позволяет определить размеры, форму, скорость движения лоцируемого предмета. Можно сказать, что электрические рыбы обладают настоящим «электрическим зрением».
Электрические рыбы используют электрические сигналы и для общения между собой. Например, они оповещают других особей своего вида о том, что данная территория занята, или о том, что ими обнаружена пища; есть электрические сигналы: «вызываю на бой», «сдаюсь» и др. По-видимому, электрические сигналы облегчают рыбам поиск особей другого пола. Все эти сигналы эффективно принимаются рыбами на расстоянии порядка 10 метров,
Что такое ЭК-Г, ЭМГ, ЭЭГ?
ЭКГ – это электрокардиограмма, запись электрических сигналов сердца. То, что в сердце при возбуждении возникает разность потенциалов, было показано еще в 1856 г., в эпоху Дюбуа-Реймона. Опыт, доказывающий это, был поставлен Келликером и Мюллером точно по рецепту Гальвани: на изолированное сердце клался нерв, идущий к лапке лягушки, и этот «живой вольтметр» отвечал вздрагиванием лапки на каждое сокращение сердца.
С появлением чувствительных электроизмерительных приборов стало возможным улавливать электрические сигналы работающего сердца, прикладывая электроды не прямо к сердечной мышце_х а к коже. Сто лет назад, в 1887 r.j впервые удалось зарегистрировать таким способом ЭКГ человека, Это было сделано английским ученым А. Уоллером с помощью капиллярного электрометра» Этот прибор был неудобен в использовании и широкое применение электрокардиографии началось позже, после появления в 1903 г. более совершенного прибора – струнного гальванометра Эйнтховена. После появления этого прибора в ряде лабораторий начали детально изучать, чем отличается ЭКГ здорового сердца и сердца при разных заболеваниях. За эти работы В. Эйнтховен получил в 1924 г. Нобелевскую премию, а советский ученый А.Ф. Самойлов, много сделавший для развития электрокардиографии, получил в 1930 г. Ленинскую премию. В результате следующего шага в развитии техники электрокардиографы стали использоваться в каждой крупной больнице.
Какова природа ЭКГ? При возбуждении любого нервного или мышечного волокна ток в одних его участках втекает через мембрану внутрь волокна, а в других – вытекает наружу. При этом ток обязательно течет по наружной среде, окружающей волокно, и создает в этой среде разность потенциалов. Это позволяет регистрировать возбуждение волокна с помощью внеклеточных электродов, не проникая внутрь клетки. Сердце – это достаточно мощная мышца. В ней синхронно возбуждается много волокон, и в среде, окружающей сердце, течет достаточно сильный ток, который даже на поверхности тела создает разности потенциалов порядка 1 мВ. Обычная форма ЭКГ приведена на рис. 65; зубец Р соответствует возбуждению предсердий, а самый большой зубец R – синхронному возбуждению желудочков.
Для того чтобы больше узнать по ЭКГ о состоянии сердца врачи записывают много кривых между разными точками тела, Для понимания этих кривых нужен большой опыт. С появлением вычислительной техники стало возможным в значительной мере автоматизировать процесс «чтения» ЭКГ, Вычислительная машина сравнивает ЭКГ данного больного с образцами, хранящимися в ее памяти, и выдает врачу предполагаемый диагноз. Сейчас возникло много и других новых подходов к анализу ЭКГ. Очень интересным представляется такой. По потенцаалам_, зарегистрированным с многих точек тела, и их изменению во времени можно рассчитать, как движется волна возбуждения по сердцу и какие участки сердца стали невозбудимы. Расчеты эти весьма трудоемки, но они стали возможны с появлением ЭВМ. Такой подход к анализу ЭКГ был развит сотрудником Института проблем передачи информации АН СССР Л.И. Титомиром, Вместо многих кривых, в которых трудно разобраться, вычислительная машина рисует на экране сердце и распространение возбуждения по его отделам. Можно прямо видеть, в какой области сердца возбуждение идет медленнее, какие участки сердца вообще не возбуждаются и т.д.
Потенциалы сердца были использованы в медицине не только для диагностики, но и для управления медицинской аппаратурой. Представьте себе, что врачу необходимо сделать рентгеновские снимки сердца в разные фазы его цикла, т.е. в момент максимального сокращения, максимального расслабления и т.д.; это бывает необходимо при некоторых заболеваниях. Но как поймать момент наибольшего сокращения? Приходится делать много снимков в надежде, что один из них попадет в нужную фазу. И вот советские ученые В.С. Гурфинкель, В.Б. Малкин и М.Л. Цетлин решили включать рентгеновскую аппаратуру от зубца ЭКГ, Для этого потребовалось не очень сложное электронное устройство, которое включало съемку с заданной задержкой относительно зубца ЭКГ, Остроумное само по себе решение задачи особенно интересно тем, что это было одно из первых устройств, в которых естественные потенциалы организма управляют теми или иными искусственными устройствами; эта область техники получила название биоуправления.
Скелетные мышцы тела тоже генерируют потенциалы, которые можно регистрировать с поверхности кожи. Однако для этого требуется более совершенная аппаратура, чем для регистрации ЭКГ. Отдельные мышечные волокна обычно работают асинхронно, их сигналы, накладываясь друг на друга, частично компенсируются, и в результате получаются меньшие потенциалы, чем в случае ЭКГ. Электрическая активность скелетной мышцы называется электромиограммой – ЭМГ. Впервые ПД мышечных волокон человека обнаружил, прослушивая их с помощью телефонного аппарата, русский ученый Н.Е. Введенский еще в 1882 г. В 1907 г. немецкий ученый Г. Пипер использовал для их объективной регистрации струнный гальванометр. Однако это был сложный и трудоемкий метод. Только после того как в 1923 г. появился катодный осциллограф и электронная техника, электромиография стала усиленно развиваться. Сейчас ее широко применяют в науке, в медицине, в спорте, а также для биоуправления. Одно из первых замечательных применений биоуправления с помощью ЭМГ – создание протезов для людей, потерявших руку. Такие протезы впервые были созданы в нашей стране.

Если сделать еще один шаг в своем любопытстве и задать вопрос: «А откуда же берется пища?», то на него ответ тоже известен. В конечном счете пища производится фотосинтезирующими организмами, получающими свою энергию от Солнца. В растениях имеются, кроме митохондрий, особые органеллы – хлоропласта, содержащие хлорофилл. Эти органеллы умеют, как и митохондрии, синтезировать АТФ, а кроме того, умеют синтезировать из воды и углекислого газа углеводы.
Все реакции окисления пищи, синтеза АТФ, синтеза углеводов достаточно сложны, происходят при участии многочисленных ферментов и более полувека широко изучаются в разнообразных биохимических лабораториях. Какое же отношение они имеют к теме этой книги? Еще лет 30 назад на этот вопрос был бы дан уверенный ответ – никакого! Но в 1961 г. английский ученый Ж. Митчел выдвинул гипотезу, что энергия пищи сначала преобразуется в электрическую энергию, а уж та затрачивается на производство АТФ. Эта гипотеза была в конце концов доказана, и мы считаем необходимым кратко рассказать об энергетическом обеспечении организмов. А кратким наш рассказ будет прежде всего потому_, что на эту тему недавно была написана обстоятельная, понятная и яркая книга «Рассказы о биоэнергетике», автор которой В.П. Скулачев – один из создателей биоэнергетики.
В чем же более конкретно состояла гипотеза П. Митчела? Митчел предположил, что окисление пищи приводит к возникновению разности потенциалов на мембране митохондрий за счет выхода протонов из митохондрий, затем эта электрическая энергия тратится на синтез АТФ. Митчел назвал свою гипотезу хемиосмотической, подчеркивая, что химическая энергия пищи преобразуется в создание градиента Н⁺, т.е. тратится на создание осмотической работы.
В гипотезе Митчела была одна особенность, которая выделяла ее из области классической биохимии и указывала пути к ее проверке. Для классического чисто биохимического подхода, объясняющего синтез АТФ цепью реакций, наличие мембраны не играло никакой роли. Но для гипотезы Митчела наличие мембраны митохондрий с достаточно высоким сопротивлением, чтобы Н⁺ не мог сразу вернуться на место, является совершенно принципиальным *).
В 60-х годах Митчел, получив наследство, организовал небольшую лабораторию в своем доме в Корнуолле, расположенном вблизи тех болот, по которым бегала баскервильская собака. Там с двумя сотрудниками и очень простым оборудованием он и вел разработку своей гипотезы. В 1978 г. Митчел получил Нобелевскую премию, показав тем самым, что распространенное ныне мнение, что в наш век только большой коллектив с современным оборудованием может добиться серьезных научных результатов, не всегда справедливо.
Итак, согласно гипотезе Митчела энергия пищи тратится на работу специального протонного насоса, заряжающего мембрану митохондрий. Как же можно было проверить эту гипотезу? Во-первых, можно было попробовать измерить МП митохондрий; если бы его не оказалось, то это опровергло бы гипотезу. Во-вторых, можно было сделать дырку в мембране митохондрий, устроить короткое замыкание; в этом случае гипотеза Митчела предсказывала прекращение синтеза АТФ. Пища могла окисляться, но МП не возникал бы, а значит и АТФ не должен синтезироваться. К сожалению, митохондрии очень малы, всего 1 мкм в длину, так что в них не воткнешь микроэлектрод или шприц. Тут требовались более тонкие инструменты.
В качестве таких инструментов были использованы молекулы.
Еще до гипотезы Митчела были открыты вещества, которые назвали «разобщители». Эти вещества имели совершенно разную химическую природу, но все, действуя на митохондрии, прекращали синтез АТФ, хотя окисление пищи продолжалось. Было непонятно, в чем механизм действия этих веществ и, вообще, как столь разные вещества могут действовать на ферменты, обычно весьма избирательные в своих реакциях. Митчел же заметил, что разобщители – это вещества, растворимые в жирах и способные связывать Н⁺. С точки зрения его гипотезы их действие объяснялось очень просто: они захватывают Н⁺ с наружной стороны мембраны и переносят его через мембрану, разряжая ее. Иными словами, результат их действия тот же, что и при коротком замыкании.
Интересно, что такое «короткое замыкание» может играть важную функциональную роль, как было показано работами В.П. Скулачева и других ученых. Конечно, при коротком замыкании электроэнергию нельзя использовать для производства работы, но при этом выделяется много тепла. А теплокровным животным приходится решать и такую задачу – согреться. Так вот, оказалось, что организм способен после адаптации к холоду самостоятельно «закорачивать» митохондрии своих клеток, сжигая пищу для выработки тепла.
Что же касается МП митохондрий, то Митчел попытался измерить его по проникновению К⁺ в митохондрии под действием электрического поля. Однако этот метод был доступен критике, так как ионы калия могут проникать в митохондрии и за счет работы калий-натриевого насоса. В.П. Скулачев, Е.А. Либерман и их сотрудники использовали для той же цели молекулы разных, искусственно синтезированных веществ, которые они назвали «проникающие ионы». Это были действительно положительно или отрицательно заряженные молекулы, притом такие, которые были растворимы не в воде, а жирах. Было показано, что в присутствии кислорода, когда пища могла сжигаться и должен был существовать потенциал в митохондриях, положительно заряженные ионы начали проникать внутрь митохондрий. Этому коллективу удалось вывернуть митохондрии наизнанку. Теперь Н⁺ должен был оказаться внутри таких митохондрий. И, действительно, теперь внутрь начали проникать отрицательные ионы. Проникающие ионы были весьма разнообразны по химическому строению, так что теперь уже нельзя было сказать, что их переносят внутрь специальные насосы. Возникновение МП у митохондрий при сжигании пищи было доказано.
А вот один из красивых опытов, который доказывает вторую половину гипотезы Митчела – что МП может быть использован для синтеза АТФ. Этот опыт был поставлен в 1967 г. Прессманом. Митохондрии выдерживали в среде с высокой концентрацией К⁺, так что он накапливался внутри них. Затем их переносили в среду без питательных веществ и кислорода и в среду вводили валиномицин – антибиотик, который повышает проницаемость мембраны для К⁺. Калий начинал выходить из митохондрий, и на их мембране возникал калиевый потенциал покоя. И митохондрии начинали синтезировать АТФ.
Точно так же было показано, что МП возникает под действием света в хлоропластах. В этом случае удалось найти такой объект, что в хлоропласт можно было ввести микроэлектрод и прямо измерить этот потенциал. Такая работа была сделана сотрудниками кафедры биофизики МГУ А.А. Булычевым, В.К. Андриановым, Г.А. Куреллой и Ф.Ф. Литвиным.
Раньше мы уже говорили, что в самых разных клетках есть ионные насосы, которые работают, используя энергию АТФ. Теперь оказывается, что для выработки АТФ требуется работа протонного насоса, который использует энергию пищи или света. Так что в каждой клетке работает «каскад насосов».
В митохондриях и в «дышащих» бактериях за счет окисления пищи наружу выкачиваются протоны, а внутри митохондрий синтезируется АТФ, поэтому часть выработанной электроэнергии затрачивается на транспортные расходы: приходится доставлять АТФ из митохондрии в протоплазму клетки, а исходные продукты, нужные для ее синтеза, доставлять внутрь митохондрий. Те же процессы идут и у фотосинтезирующих бактерий и цианобактерий, только там источником энергии является свет.
А вот хлоропласты растений устроены иначе. Внутри них имеются особые мембранные пузырьки – тилакоиды, мембрана которых «вывернута наружу», как это искусственно делали с мембраной митохондрий Скулачев и Либерман. В тилакоидах протоны заканчиваются внутрь их, а АТФ синтезируется на их наружной поверхности. Мембрана митохондрий содержит много складок; можно думать, что из таких замкнувшихся «впячиваний» и возникли тилакоиды. Ведь клетки часто делают из своей мембраны пузырьки, с помощью которых поглощают из внешней среды нужные молекулы.
Вспомним теперь на минуту историю открытия мембраны. Она долго оставалась гипотетической структурой, которую предсказывали на основе изучения осмоса. Теперь, наконец-то, ученые, можно сказать, держат ее в руках. И вот оказывается, что есть мембрана на поверхности клеток, а внутри есть мембрана хлоропласта, а внутри него – мембрана тилакоидов. А кроме того, в клетках масса других мембранных структур. Вы, наверно, помните девиз «Наутилуса»: «Подвижный в подвижном». Девиз всех клеток; «Мембраны в мембране»,
Работу митохондрии действительно можно изобразить как работу электростанции. Дыхательная система ферментов гонит ток протонов наружу, создавая потенциал на мембране, – это работает генератор; потом они текут по другим участкам мембраны митохондрии внутрь и энергия тратится на синтез АТФ – это потребитель. Значит, в митохондрии находятся и сама электростанция, и потребители электроэнергии. Если сделать
короткое замыкание, то у потребителей «гаснет свет», прекращается синтез АТФ. А если перестать давать вещества, необходимые для синтеза АТФ, т.е. выключить потребитель, разомну ть цепь, то станция перестает потреблять энергию – прекращается дыхание.
Нагрузку-потребитель на рис. 69 лучше всего представлять себе в виде «электродвигателя». Дело в том, что этот потребитель, как электродвигатели, обратим. Если внутри митохондрий имеется запас АТФ, а потенциал на ее мембране снижен, то АТФ начинает распадаться и гнать протоны наружу, подобно тому как электродвигатель, еслиегокрутить механическим двигателем, начинает отдавать энергию назад в сеть. В митохондриях при их реальной работе эта обратимость не используется. Иначе обстоит дело у бактерий. В 1977 г. было показано, что у стрептококков, когда они получают энергию за счет гликолиза и синтезируют АТФ, используется «обратимость двигателя». Часть синтезированной АТФ бактерии тратят на создание потенциала на мембране, который необходим им для транспорта метаболитов внутрь клетки.
Гипотеза Митчела превратилась в одну из основ биоэнергетики. Но не следует думать, что она решила все вопросы. Дальше надо было выяснить, как именно работают ферменты, создающие МП митохондрий, и ферменты, синтезирующие АТФ. Кое-что о работе этих молекулярных машин выяснено, и тот, кто заинтересовался этим вопросом, с большой пользой прочитает книгу В.П. Скулачева.
Мы же хотим еще раз подчеркнуть, что «животное электричество» оказалось присущим не только нервам и мышцам. Каждая клетка, которая дышит, каждая клетка, которая способна к фотосинтезу, использует электрическую энергию. Митохондрии и хлоропласта являются самыми настоящими электростанциями клетки, которые преобразуют горючее или свет в электроэнергию,
Бактерии – первые электрики Земли. Они изобрели электромотор с подшипником, передачу электроэнергии по проводам и электрические аккумуляторы
Животные клетки содержат митохондрии. Клетки бактерий – сами себе электростанции. Они тоже способны синтезировать АТФ за счет пищи или света, за счет создания МП на своей мембране, выбрасывая Н⁺ в наружную среду. Но оказалось, что бактерии используют этот МП не только для синтеза АТФ.
В 1974 г. американский микробиолог Адлер изучал му-тантную линию бактерий кишечной палочки. Эти мутанты «дышали», но не синтезировали АТФ. Под действием кислорода эти бактерии начинали плыть. Этот результат представлялся совершенно удивительным, так как общепринятыми были представления, что для движения, будь то сокращение мышц или движение жгутика, требуется энергия АТФ. Опыты Адлера показали, что энергия окисления пищи может быть преобразована в движение без участия АТФ. Кроме того, Адлер показал, что движение бактерий может быть остановлено, если в среду добавить разобщители. Эти результаты были объяснены В.П. Скулачевым, который предположил, что бактерии используют свой МП прямо для движения жгутика.
Здесь следует сказать, что жгутик бактерий – это совсем особое устройство, отличающееся от жгутика инфузории. У бактерии есть две мембраны: одна наружная прочная оболочка, а вторая – такая же, как у животных клеток. Жгутик состоит из особого белка – флагеллина. Он прикрепляется к особой оси, которая торчит, проткнув наружную жесткую мембрану. На этой си находятся несколько дисков, играющих роль подшипников. Самый внутренний диск погружен во внутреннюю мембрану бактерии. Жгутик инфузории работает, как весло, ударяя по воде. Жгутик бактерии вращается, как корабельный винт. Это было показано так. Было отломано много жгутиков бактерий; флагеллин ввели кроликам, у которых возникла иммунная реакция. У них в крови появились антитела, способные склеивать флагеллин. Антитела прикрепили к стеклу специального сосуда. Бактерии, помещенные в этот сосуд, приклеивались жгутиком к стеклу. В этом п состояла идея опыта.
А все остальное – рецепт приготовления «клея» для ловли бактерии за хвост. Теперь жгутик приклеен к стеклу и можно видеть, что начинает вращаться сама бактерия. Часто говорят, что природа изобрела многое, но не изобрела колесо. Теперь вы видите, что как раз колесо-то и было изобретено еще на заре жизни.
Но если действительно движение бактерии зависит прямо от мембранного потенциала, то бактерии изобрели не только колесо, но и электромотор! Такую идею стоило проверить. В лаборатории В.П. Скулачева на другом виде бактерий – на пурпурной бактерии А.Н. Глаголевым было показано, что скорость движения бактерий действительно зависит, как и предполагал Скулачев, не от содержания АТФ в клетке, а от ее МП. В лаборатории был поставлен такой эффектный опыт. Бактерии были отравлены ядами, устраняющими потенциал, зависящий от ионов Н⁺. А затем в среду был добавлен еще один яд – валиномицин, который повышает проницаемость мембраны бактерий для ионов калия. Калий начинал выходить наружу, возникал МП. И дважды отравленные бактерии оживали и начинали плыть!
Интересно, что электромотор бактерий обладает реверсом: если жгутик вращается по часовой стрелке, то бактерия плывет жгутиком вперед, а если против часовой стрелки, то жгутиком назад.
Придумано несколько конкретных моделей, которые объясняют, как электроэнергия преобразуется в механическое вращение жгутика. Показано, что МП, при котором работает мотор, порядка 200 мВ, что мощность мотора примерно 10~¹⁷ Вт, что через жгутик входит внутрь бактерии примерно 1000 протонов в секунду. Изменение направления вращения жгутика пытаются объяснить поворотом угла «лопастей турбины». Однако подлинный механизм работы этого мотора пока не выяснен.
Мы видели, что МП может быть использован клетками в самых разных целях: в митохондриях, хлоропластах, бактериях – для синтеза АТФ; бактериями – для вращения жгутиков; в самых разных клетках – для транспорта веществ, например, у животных – для транспорта Сахаров, в митохондриях для поглощения Са⁺⁺, у бактерий для поглощения К⁺ и т.д.; при «коротком замыкании» для выработки тепла. Все эти факты привели Скулачева в 1975 г. к следующему обобщению: в энергетике клеток есть два универсальных носителя, а не один, как думали раньше, – это АТФ и МП. А тем самым ясно, что МП необходим каждой клетке, а не только нервному волокну.
Как правило, клетки используют в качестве источника энергии МП, создаваемый выкачиванием ионов водорода. Однако мы уже видели, что это не принципиально. Отравленная бактерия начинала плыть и в том случае, когда МП создавался К⁺. В связи с этим у Скулачева возникла идея, что любой МП – это клеточный резерв энергии, который она в случае надобности может использовать, В очень яркой форме выражается запас энергии у бактерий – обитателей соленой воды, которые накачивают внутрь много К⁺. На свету они за счет бактериородопсина вырабатывают АТФ и поддерживают МП. Но если их поместить в темноту и в среду без кислорода, то они быстро переставали двигаться в среде, содержащей много KCl, – нет источников энергии. Но если их помещали в раствор с NaCl, то за счет возникающего МП их движение поддерживалось в течение 9 часов. Таким образом, уже бактерии имеют аккумулятор электроэнергии, который они заряжают либо от солнечных батарей, либо от «тепловых электростанций».
Но и это еще не все. Существует особая замечательная группа бактерий – цианобактерии. Это древнейшие обитатели Земли, обладающие рядом особенностей. Они способны к фотосинтезу, могут сами усваивать атмосферный азот и т.д. Среди цианобактерии есть многоклеточные существа, похожие на дождевого червя, у которого каждый членик – отдельная клетка. Эти клетки имеют немного разные функции и соединены межклеточными отверстиями. Сходство с червем усиливается тем, что такие бактерии умеют ползать. Они обладают положительным фототаксисом, т.е. ползут к свету. Сопротивление мембраны у них, так же как у большинства других бактерий и у митохондрий, очень велико, а длина – всего несколько миллиметров.
Работами В.П. Скулачева, Л.М. Чайлахяна и их сотрудников было показано, что цианобактерии умеют передавать электроэнергию на расстояние. Это было показано так. Было показано, что и эти бактерии могут ползти без АТФ за счет энергии МП. Затем бактерии были помещены в такие условия, что источником потенциала был только свет. В темноте бактерии не ползли, а при освещении нескольких клеток на одном конце двигатели начинали работать вдоль всей длины бактерии. При этом была зарегистрирована разность потенциалов во внеклеточной среде между «головой» и «хвостом» бактерии. Читатель может сказать, что мы уже говорили о передаче электрической энергии в нервном волокне. Конечно, передача нервного импульса связана с энергетическими процессами. Но смысл импульса – это передача информации. Через химический синапс к нейрону энергия не передается, передается сигнал, который включает собственные источники энергии клетки-получателя. Совсем другое дело – цианобактерии. У них передается от освещенного места к электромоторам других клеток именно электроэнергия, так же, как она передав ^я от электростанции по проводам к моторам электричек или пылесосов. Так что бактерии умеют вырабатывать, передавать и запасать электроэнергию.
Квартирант превращается в электростанцию
В этом параграфе не случайно оказались под одной крышей митохондрии, хлоропласты и бактерии. Многие из биологов считают, что все они – близкие родственники, что когда-то на заре жизни, когда на Земле только-только появилось достаточное количество кислорода, бактерии, умеющие его использовать, вступили в симбиоз с амебоподобными клетками и поселились внутри них. Эти бактерии вырабатывали АТФ и снабжали им клетку-хозяина, которая заботилась о доставке пищи и защите своих квартирантов. Согласно этой гипотезе точно так же из фотосинтезирующих бактерий возникли хлоропласты.
Эта гипотеза насчитывает около 100 лет существования. Опа забывалась, возрождалась, осмеивалась и возрождалась вновь. В 20-х годах пользовалась поддержкой ряда русских ботаников, возможно, потому, что прежде всего на ботаников произвело особенно сильное впечатление открытие, что лишайники – это симбиоз гриба и водоросли. Новую жизнь этой гипотезе дала современная, в частности молекулярная, биология.
Оказалось, что, например, у митохондрий, как и у бактерий, имеются две мембраны. Наружная имеет довольно крупные поры. Но у бактерий эта наружная стенка прочная, так как она должна защищать клетку от возможности осмотического разрушения, а у митохондрии она потеряла механическую прочность, так как клетка-хозяин заботится о поддержании постоянных осмотических условий. Митохондрии имеют внутри себя ДНК, которая, как и у бактерий, имеет кольцевую форму. Есть внутри митохондрий и свои фабрики белка – рибосомы. Оказалось, что эти рибосомы похожи на бактериальные, а не на рибосомы клеток-хозяев. Например, антибиотики стрептомицин и тетрациклин останавливают работу рибосом бактерий и митохондрий, но не влияют на рибосомы хозяина, а вот циклогексимид – наоборот. Митохондрии способны к размножению внутри клетки. Можно привести и другие аргументы в пользу этой гипотезы, но это увело бы нас в сторону от нашей основной темы.
Практически все животные, растения и грибы, которые дышат, имеют очень сходные митохондрии. А исключение только подтверждает правило. Например, существуют амебы, не содержащие митохондрий, 8 ато в них живут бактерии-симбионты, выполняющие те же функции. Согласно крайней точке зрения, клетки высших организмов – весьма сборные образования: электростанции для дыхания и фотосинтеза они получили от бактерий, а органы движения – от симбиотических спирохет,
Электричество и условные рефлексы
Все со школы знают о замечательных работах И.П. Павлова по выработке рефлексов у животных. Если собаке подают звуковой сигнал, а потом дают пищу и повторяют это сочетание несколько раз, то у нее начинает выделяться слюна в ответ на звуковой сигнал, хотя до выработки условного рефлекса звук такой реакции не вызывал. Естественно было поставить вопрос; что произошло внутри мозга при выработке условного рефлекса? Каким образом сигнал стал попадать от слуховых рецепторов к слюнной железе, к которой он сначала не проходил? К сожалению, вместо ответа биологи могли предложить в основном образные выражения, говоря, что в мозгу «проторяются новые пути» или «замыкаются новые связи». Лишь в последние годы появились экспериментальные факты, приближающие нас к ответу на эти вопросы.
Изучение механизмов условных рефлексов ведется на самых разных животных, в том числе и на таких, у которых немного нейронов. Мы расскажем про результаты, полученные на морском брюхоногом моллюске Хермиссенде. Эти моллюски днем двигаются в сторону света, как говорят, обладают положительным фототаксисом, т.е. попросту всплывают в верхние слои воды, где собирается их пища. Но при сильном волнении моря моллюск уходит от света, т.е. опускается на дно. В лаборатории у моллюска вырабатывали условный рефлекс: сначала давали свет, а потом трясли моллюска или вращали на специальной центрифуге. После некоторого числа сочетаний моллюск полз к свету гораздо медленнее, чем до обучения, или переставал ползти к свету. Этот условный рефлекс обладал всеми признаками рефлекса, вырабатываемого у собак и других животных: он не вырабатывался, если свет и вращение подавали в случайном порядке; затухал через несколько недель; если начинали подавать только свет без вращения, то затухал быстрее и т.д.
В выработке этого рефлекса принимают участие фоторецепторы, которых у моллюска всего 5 в одном глазке, вестибулярные рецепторы, реагирующие на вращение, мотонейроны, управляющие движением животного и несколько промежуточных нейронов, связывающих эти клетки между собой. Была выяснена схема связей этих клеток и предпринята попытка установить, в каком месте этой схемы возникают изменения при обучении моллюска, какие нейроны или какие синапсы меняются, иными словами, в чем же заключается «проторение путей».
Сначала посмотрим, как реализуется положительный фототаксис. Две фоторецепторные клетки типа А возбуждают интернейрон, он возбуждает МН, который, в свою очередь, возбуждает мышцы, обеспечивающие движение. Что же происходит в результате обучения? Результат длительных исследований оказался совершенно неожиданным. У моллюска выработка условного рефлекса оказалась связанной с изменением свойств фоторецепторных клеток, а не интернейронов или синапсов, как предполагали исследователи.
Кроме двух фоторецепторных клеток типа А у моллюска есть еще 3 фоторецептора типа В; эти разные группы фоторецепторов тормозят друг друга. До обучения клетки А сильнее тормозят клетки В и поэтому могут вызвать положительный фототаксис. После обучения клетки В начинают реагировать на свет сильнее, теперь уже они «побеждают» и затормаживают клетки А, снижая скорость движения к свету. Значит, в клетках В_х на которые действовали и свет_г и сигнал от вестибулярного аппарата, что-то произошло. Оказалось, что в клетках В произошло снижение порога. Дальше выяснялось, какой фактор способствует снижению порога: действие химического вещества, выделяемого вестибулярными нейронами, или создаваемая этим веществом деполяризация. Для этого попытались выработать условный рефлекс, сочетая свет и деполяризацию фоторецептора типа В через микроэлектрод. Оказалось, что рефлекс вырабатывается. Это значит, что под действием света и деполяризации как-то меняются свойства мембраны фоторецепторов типа В, так что их порог снижается.
Что же происходит с мембраной? Оказалось, что у фоторецепторов типа В после обучения не только снижались пороги, но и появлялось еще одно свойство: после выключения света деполяризация сохранялась в течение нескольких минут. Это наводило на мысль, что у таких клеток калий слабо выходит из клеток и поэтому потенциал не возвращается сразу к нормальному уровню. Может быть, у таких клеток стаповится меньше К-каналов, а может быть, они начинают хуже работать. Во время дальнейшей работы были выяснены биохимические механизмы, которые приводят к изменению свойств К-каналов.
Итак, оказалось, что по крайней мере у улиток условный рефлекс вырабатывается в результате изменения электрических свойств мембран фоторецепторных клеток в результате снижения эффективности работы их калиевых каналов. На другом виде улиток было показано, что и другой рефлекс – втягивание дыхательного сифона при раздражении тела улитки – связан с таким же механизмом.
Однако не следует думать, что выработка любого условного рефлекса связана с изменением электрических свойств клеточных мембран. Сейчас изучены случаи, когда выработка рефлекса обусловлена другим механизмом – изменением эффективности работы синапса_, т.е. действительно «проторением пути».
Никто необъятного объять не может
Мы рассказали вам о многих функциях электричества в живых организмах. Но не думайте, что обо всех. Например, мы не смогли рассказать вам об электрических процессах в растениях). А ведь в растениях тоже распространяются потенциалы действия, под влиянием которых опускает свои листочки в ответ на прикосновение стыдливая мимоза или захлопывает свою ловушку насекомоядная мухоловка.
Очень хотелось бы рассказать о биологических часах. Ведь очень многие растения и животные «знают» время суток. Мы носим свои часы на руке или в кармане, а вот многие ракообразные и моллюски прячут свои часы в гораздо более надежном месте: внутри собственного глаза. Сейчас показано, что эти часы – электрические. С помощью искусственного электрического импульса эти часы можно «перевести», переставив их стрелки со «дня» на «вечер». А если изменить ионный состав среды, окружающей клетки, которые образуют часы, то можно, например, заставить часы отставать. Внимательный читатель не удивится, узнав, что часы образованы группой клеток, связанных электрическими синапсами, – ведь и тут для точного хода часов необходимо бороться с шумами.
Интересно было бы рассказать и о перестройке структуры кости при изменении нагрузки. Оказывается, под действием нагрузки в кости возникают электрические поля и в зависимости от направления их силовых линий клетки, создающие кость, перестраивают внутренние костные балки так, чтобы они лучше сопротивлялись действию нагрузки).
Но где-то необходимо остановиться. Давайте же кончим нашу историю на том, с чего мы ее начали. Электрофизиология как наука началась с изучения тока повреждения нервов. Можно было бы думать, что ток повреждения давно сыграл свою роль и ушел в историю. Но… ведь нервы порой действительно повреждаются! Что же с ними тогда происходит?
Мы знаем, что ток повреждения быстро убывает, это объясняется тем, что на месте повреждения нерва формируется новая мембрана. Однако оказалось, что в дальнейшем этот ток уже не убывает и в регенерирующем нерве неделями сохраняет свою величину. В 1947 г. американский биолог Доренто де Но высказал гипотезу, что этот ток играет какую-то роль в процессе роста и регенерации, например_, переносит в кончик растущего нерва какие-то важные внутриклеточные частицы. Но если ток повреждения ускоряет заживление нерва, то, может быть, можно дополнительно ускорить этот процесс, пропуская через ткань слабый постоянный ток в нужном направлении? И вот начались опыты по ускорению отращивания ног у таракана, а потом – и по ускорению заживления ран у млекопитающих. Появился ряд обнадеживающих результатов. Но если ток влияет на рост, то нельзя ли с помощью него ускорить развитие эмбрионов животных?
Но тут мы вынуждены повторить слова Кристофера Робина: «Экспедиция закончена».
Дальше, дальше, дальше!
Книги выходят медленно. С тех пор, как мы написали «Экспедиция окончена», прошел год и в биологии появилось множество интересных новинок, о которых хочется рассказать. Стоит, вероятно, отметить, что большинство из них появилось в электробиологии там, где она соприкасается с молекулярной биологией. Трудно выбрать из этих новинок самую интересную. Можно было бы рассказать о том, почему корень растения растет вниз; оказывается, это тоже связано с электробиологией. Можно было бы рассказать о работе обонятельных рецепторов: оказалось, что пахучие вещества запускают в них такие же цепочки химических реакций, как свет в фоторецепторах. Но мы решили рассказать о работах из области иммунологии, которая на первый взгляд уж никак не связана с электробиологией.
Еще в 1882 г. И.И. Мечников открыл явление фагоцитоза и разработал клеточную теорию иммунитета. За прошедшее столетие иммунология превратилась в отдельную биологическую дисциплину, в одну из «точек роста» современной биологии. Иммунологи показали, что лимфоциты умеют уничтожать и чужие клетки, попавшие в организм, и некоторые собственные клетки, изменившие свои свойства, например раковые клетки или клетки, пораженные вирусами. Но еще совсем недавно не было известно, как именно лимфоциты это делают. В последнее время это выяснилось.
Уже довольно давно было известно, что для уничтожения своей жертвы лимфоцит должен вступить с ней в непосредственный контакт. Если ввести в это время в клетку-жертву микроэлектрод и регистрировать ее МП, то можно обнаружить, что через короткое время после нападения лимфоцита МП жертвы резко убывает. Оказывается, лимфоцит проделывает в мембране своей жертвы отверстия, устраивая, так сказать, короткое замыкание. Через эти отверстия из клетки выходит калий, а внутрь нее входят ионы натрия и кальция. Напрасно тратят энергию ионные насосы жертвы – МП не повышается и пораженная клетка через несколько минут погибает.
Но каким способом лимфоцит делает отверстия в мембране атакованной им клетки? Ведь отверстие, сделанное, например, микроэлектродом, вовсе не приводит к гибели клетки: после вынимания микроэлектрода «рана» в мембране быстро затягивается. Оказалось, что лимфоцит при контакте с жертвой выбрасывает из особых пузырьков молекулы специального белка. Эти молекулы встраиваются в мембрану жертвы и из нескольких таких молекул-субъединиц возникает трубка, продырявливающая мембрану. Белок, образующий такую трубку, назвали перфоршюм. Возникающий в мембране перфориновый канал похож на канал, создаваемый коннектином. Но коннексоны обладают «крышками» и открываются только при «стыковке» двух клеток, связывая их между собой, а порфириновые каналы никаких крышек не имеют и постоянно находятся в открытом состоянии. Клетка-мишень не может просто затянуть мембраной дырки, образованные трубками перфорина, а на более радикальные меры у нее нет времени.
Но почему во время нападения не погибает сам лимфоцит? Казалось бы, перфорин, выброшенный в щель между двумя клетками, должен встроиться не только в мембрану жертвы, но в собственную мембрану лимфоцита со всеми вытекающими из этого последствиями. Действительно, молекулы перфорина встраиваются в мембрану лимфоцита, но не убивают его. Дело в том, что у лимфоцита в мембране имеется «противоядие» – белок, который связывает отдельные субъединицы перфорина и не дает им образовать канал.
Можно было бы думать, что такая сложная система нападения и самозащиты существует только у специализированных клеток многоклеточного организма – лимфоцитов. Однако оказалось, что это не так. Тот же способ нападения на чужие клетки выработали некоторые бактерии, простейшие и грибы. Например, этот способ используют во время охоты некоторые амебы. Правда, амебы или грибы вырабатывают белки, отличающиеся от перфорина, но точно с таким же механизмом действия.
На этот раз наше путешествие в мир электробиологии завершается окончательно. Но пока эта книга попадет к вам в руки, будут сделаны новые открытия и обнаружены новые загадки. Экспедиция продолжается!