Занимательная биология
Шрифт:
Отворяется, как иногда говорят физиологи, натриевая «дверца», ионы натрия, которые толпились снаружи у клеточной оболочки, бессильные ее преодолеть, сразу устремляются внутрь аксона. Они заряжены положительно, и поэтому внутренний потенциал аксона в месте, где произошел «пробой», падает еще ниже: от минус 60 милливольт до некоторой положительной величины по отношению к замембранной территории [38] .
Положительный потенциал внутри клетки! — сразу же в соседнем участке аксона возникает новый «пробой». А за пробоем — перемещение ионов натрия внутрь аксона. Затем деполяризация и этого участка и новый, третий, «пробой» с ним по соседству. И так все дальше и дальше: вдоль по аксону бежит
38
Например, до плюс 40 милливольт в гигантском, достигающем в толщину более миллиметра аксоне кальмара, в экспериментах над которым в основном и была изучена нервная клетка.
А в том месте, где только что был «пробой», разыгрываются уже другие события.
«Натриевая дверца», открывшись ненадолго, сейчас же закрывается, и открывается «калиевая дверца». Мембрана аксона быстро пропускает теперь сквозь себя ионы калия, которые торопливо выскакивают наружу и уносят с собой положительные заряды (ведь они, как и ионы натрия, тоже отмечены крестиками!). Сейчас же там, где открылась «калиевая дверца» и утекли плюсовые заряды, возникает номинальный отрицательный потенциал — минус 70 милливольт. И сейчас же снова в этой зоне аксона начинает действовать натриево-калиевый насос, а клеточная мембрана вновь устанавливает прежнюю сегрегацию ионов калия и натрия (обе дверки захлопнулись!).
Все происходит за одну-две тысячных доли секунды, и, продолжает Вулдридж, «к тому моменту, когда участок аксона вновь приобретает способность к возбуждению, потенциал действия уже проходит расстояние, во много раз превышающее диаметр аксона, и находится слишком далеко, чтобы вызвать повторный разряд в восстановившей свою возбудимость протоплазме». Вот почему нервный импульс всегда бежит по аксону только в одну сторону: прочь от своего нейрона к другому нейрону.
Как только мембрана, одевающая основание аксона, захлопнет обе «дверцы», новый нервный импульс может отправиться с этого старта в путешествие по аксону.
Если сигналы, побуждающие нейрон к действию, очень сильные, «пробой» быстро нарушает преграду, разделяющую внутренние и наружные ионы. Поэтому и нервные импульсы быстро бегут друг за другом: иногда через каждую сотую секунды. Но когда сигналы слабые, требуется больше времени для преодоления ионами пограничных постов мембраны. Тогда и частота нервных импульсов невелика.
По толстым нервным волокнам электрические разряды продвигаются быстрее, чем по тонким.
У человека есть аксоны, по которым они мчатся со скоростью урагана: 100 метров в секунду! Но есть и другие: возбуждение проходит по ним не быстрее пешехода — 3–4 километра в час (метр в секунду).
Однако с какой бы скоростью и частотой ни распространялись импульсы по нерву, они приходят к финишу в отличной форме: такими же сильными, какими тронулись со старта. Даже если от старта до финиша расстояние в тысячу раз больше, чем диаметр проводника, то есть нервного волокна.
В начале физиологи никак не могли понять, почему так невероятно «выносливы» эти электробегуны по нервам. Теперь мы знаем почему: ведь каждый «пробой» возбуждает импульс такой же силы, какой обладал породивший его самого импульс от предыдущего «пробоя». Таким образом, импульсы на всем пути своего продвижения бесконечное число раз заново возрождаются.
А энергию, необходимую для питания этой бесконечной регенерации, нервная клетка черпает, принудительно поддерживая (против норм осмотического давления) неравную концентрацию ионов натрия и калия по обе стороны своей оболочки.
Ионная сегрегация на границах атома жизни — вот, по-видимому, первичный источник энергии наших ощущений и чувств.
Касающийся света кусочек мозга
Когда мы смотрим на что-нибудь, в глаза попадают лучи света. Они могут идти прямо от солнца или лампы, но чаще — это отраженный свет. Поверхности предметов неровные и отражают свет по-разному. Поэтому мы и видим мир не однотонным и аморфным, а богатым красками и формами.
Наш
Примерно так же, как на фотопленке: одно вещество, превращаясь под действием света в другое, возбуждает в нерве электрический импульс. Фотопленкой служит сетчатка — внутренняя оболочка глаза, сплошь усеянная светочувствительными клетками [39] , а веществом-преобразователем энергии — родопсин, или зрительный пурпур. Это белок опсин, соединенный с ретиненом. А ретинен — окисленный витамин А. Поэтому, когда в пище мало витамина А, человек слепнет. Он плохо видит главным образом в сумерках: это называют куриной слепотой. Дело в том, что родопсин содержит в себе так называемые палочки — воспринимающие свет клеточки в сетчатке глаза. Кроме них, есть еще и колбочки. Но они приспособились оповещать нас о красках зримого мира и реагируют, кроме цветных, преимущественно на лучи яркие, несущие много световой энергии. Палочки же функционируют в сумерках, ночью — в общем всегда, когда света мало. Так что, когда не хватает витамина А, в палочках — дефицит родопсина, и глаз плохо видит в сумерках.
39
На каждом квадратном миллиметре сетчатки человеческого глаза — 400 тысяч воспринимающих свет клеток (а всего 130 миллионов палочек и 7 миллионов колбочек). Почти столько же у кошки. А у совы даже в полтора раза больше — 680 тысяч. У других животных меньше: у кальмара — 162 тысячи, у осьминога — 64 тысячи, у карпа — 50 тысяч, а у паука — только 16 тысяч.
Установлено, что каждый фотон, поглощенный молекулой родопсина, возбуждает одну палочку. Но кванты света действуют на сетчатку глаза иначе, чем на хлорофилл в листьях растений. Они не производят здесь, по-видимому, никакой фотохимической работы, лишь включают «ток» в уже заряженных энергией нервных проводниках. Пусковой механизм действует не прямо на аксоны: сначала фотоны заставляют родопсин разделиться на ретинен и опсин; некоторые вещества, возникающие при этом превращении, возбуждают палочки. А те уже, возбудясь через биохимические клеммы нейронов, «включают свет» и в мозгу: от сетчатки по аксонам зрительного нерва побегут электрические импульсы, частота которых расскажет слепому мозгу в образах о картинах мира, спроецированных на сетчатке.
Нескольких квантов света достаточно, чтобы сработала система передачи зрительных ощущений. Наш глаз видит едва не минимум световой энергии, почти самую малую возможную во вселенной ее «расфасовку» — шесть-десять фотонов! Такая фантастическая чувствительность обеспечивается изумительно экономичным пусковым механизмом сетчатки, который приходит в действие, поглощая только квант света. Нужен лишь очень слабенький световой «щелчок», чтобы чуть толкнуть один электрон в молекуле ретинена, и тогда заработают калиевые и натриевые дверцы зрительных нейронов, и в мозг побежит поток информации.
Химическая формула ретинена такова, что боковая ветвь составляющих его атомов углерода содержит серию чередующихся двойных связей. В них все дело. «Я немного расскажу об этом, — говорит Р. Фейнман в своих великолепных лекциях по физике. — Двойная связь означает, что там есть дополнительный электрон, который легко сдвинуть вправо или влево. Когда свет ударяет по этой молекуле, то электрон каждой двойной связи на один шаг сдвигается. В результате переместятся электроны во всей цепи, подобно тому, как упадут при толчке поставленные друг за другом костяшки домино, и хотя каждый из них проходит очень небольшое расстояние, в целом получается такой же эффект, как будто электрон с одного конца перескочил на другой!.. А поскольку двигать электрон взад и вперед не так уже трудно, то ретинен очень сильно поглощает свет».