Искра жизни. Электричество в теле человека

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

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!