Искра жизни. Электричество в теле человека

Во время войны Ходжкин и Хаксли пришли к убеждению, что потенциал действия должен возникать в результате кратковременного повышения проницаемости мембраны нервной клетки для ионов натрия, и Ходжкину не терпелось проверить эту идею. К его радости, импульсы регистрировались, когда аксон находился в нормальной морской воде, и отсутствовали, когда ионы натрия в морской воде замещались на другие ионы. Все выглядело так, что именно ток, создаваемый ионами натрия, которые двигались из внешнего раствора внутрь аксона, лежал в основе изменения полярности потенциала действия. Между прочим, этот ток действительно возникает в результате открытия натриевых каналов в мембране аксона, но тогда никто, в том числе и Ходжкин с Хаксли, не подозревал о существовании ионных каналов.

Большую проблему для понимания того, как именно работают нервы, представлял характер потенциала действия — все или ничего. Ничто не происходило до тех пор, пока электрический раздражитель не превышал определенный порог, а после этого все протекало мгновенно — мембранный потенциал неожиданно и взрывообразно изменялся от уровня покоя до более положительного примерно на 100 мВ уровня, а затем быстро возвращался к исходному состоянию. Нужно было каким-то образом не допустить вызванное раздражителем изменение мембранного потенциала и сохранить его постоянным, с тем чтобы можно было измерять токи, связанные с изменением потенциала. Этого удалось добиться с помощью оригинального метода, получившего название «фиксация потенциала». Он предполагал подачу тока, равного по амплитуде, но противоположного по направлению тому, что тек через мембрану. Мембранный ток при этом нейтрализовывался, и потенциал не менялся. Более того, величина тока, текущего через мембрану, была прямо пропорциональна подаваемому току, что обеспечивало точное измерение токов, приводящих к возникновению потенциала действия. Проблема, таким образом, получила блестящее решение.

Метод фиксации потенциала был независимо разработан Ходжкином и Кацом в Плимуте и Коулом совместно с Джорджем Мармонтом в Вудс-Хоуле. Американцы быстрее справились с технической частью и первыми начали экспериментировать с фиксацией потенциала (этот термин очень не нравился Коулу), в 1947 г. Коул сообщил Ходжкину о своих экспериментах, и когда в марте 1948 г. тот приехал в Вудс-Хоул, они обменялись информацией о достижениях. Ходжкин быстро понял, что аппаратура Коула была лучше. По возвращении в Англию он и Хаксли модифицировали свою систему с учетом достижений Коула и всего лишь за месяц, в августе 1949 г., получили все данные, необходимые для того, чтобы продемонстрировать, как работают нервы. Секрет их успеха заключался в использовании сложной аппаратуры и подхода, который сильно отличался от подхода Коула.

Коула очень удивила быстрота их продвижения, в своих комментариях он отмечал, что «Ходжкин и Хаксли продвигаются с потрясающей скоростью… Я периодически получал сообщения от них, однако так и не оценил блистательной простоты фундаментальных концепций и эффектных деталей [их анализа…]. Лишь после того, как Ходжкин прислал мне черновой вариант своей рукописи… я начал понимать, во что превратилась моя простая идея по укрощению аксона кальмара». Последнее предложение вместе с заявлением Коула о том, что «свободный обмен методами и результатами позволил им [т.е. его соперникам] в течение года повторить всю мою работу и добиться очень значительных успехов» — это намек на смятение, которое породили в его душе достижения кембриджских ученых.

Изящные эксперименты Ходжкина и Хаксли показали, как именно нерв генерирует электрический импульс. Потенциал действия возникает под действием повышения проницаемости мембраны для ионов натрия. Проницаемость повышается в результате открытия натриевых каналов, которые позволяют потоку положительно заряженных ионов натрия проходить в нервную клетку и смещать мембранный потенциал в положительную сторону (деполяризация). Менее чем через миллисекунду открываются калиевые каналы, выпускающие ионы калия из нервной клетки и возвращающие мембранный потенциал к уровню покоя (реполяризация). Совместно эти противоположные потоки ионов генерируют кратковременное изменение потенциала, которое и составляет нервный импульс.

Прогресс, подтвержденный расчетом