Хлопок одной ладонью. Как неживая природа породила человеческий разум

Такое «натриевое напряжение» – одно из самых фундаментальных качеств всех живых организмов на Земле, корнями уходящее, по-видимому, к самому происхождению жизни. Жидкости, омывающие наши клетки, от крови до межклеточного вещества, богаты натрием, как морская вода. Цитоплазма же любой клетки, от бактериальной до человеческой, преимущественно «калиевая». Некоторые ученые считают, что клетки изначально появились где-то, где было больше калия, и при выходе в «натриевую» морскую воду были вынуждены искусственно воссоздавать у себя внутри привычную ионную среду, выкачивая натрий наружу и закачивая калий внутрь¹⁶.

Так или иначе, в сегодняшних клетках постоянное натриевое напряжение нужно не просто для комфортной клеточной жизнедеятельности, а само по себе. У нас оно играет роль натянутой струны, на которой благодаря ее натянутости можно что-то сыграть. Натрий постоянно толпится возле мембраны, пытаясь проникнуть внутрь клетки, поэтому, если на мгновение приоткрыть ему дверь, сквозь мембрану устремляется мощная струя его положительного заряда. Даже если дверь тут же захлопнуть, этот импульс волной распространяется по внутренней поверхности мембраны, быстро нейтрализуя ее «минус» до тех пор, пока натрий не рассеется по клетке и не будет выкачан наружу натрий-калиевым насосом. Такие короткие импульсы, вызывающие в мембране разбегающиеся всполохи заряда, используются многими клетками для передачи сигналов из одной части клетки в другую. Но у некоторых клеток, и в частности у нейронов, есть еще один трюк, который поднимает эту идею на новую высоту: потенциал действия.

Выстрел голосованием

Типичный нейромедиатор, выброшенный в синаптическую щель, доплывает до «принимающего», или постсинаптического, нейрона, и открывает там натриевые каналы. Эти каналы как раз и напоминают захлопнутую дверь, которую нейромедиатор временно приоткрывает. Внутрь клетки устремляется натрий, и волна положительного заряда растекается по внутренней стороне ее мембраны. Но нейромедиатор поступает в синаптическую щель не постоянным потоком, а небольшими облачками, выпущенными окончанием предыдущего нейрона. Нейромедиатор быстро утекает из синапса, зачастую впитываясь только что испустившей его пресинаптической клеткой для повторного использования. Так что дверь ионного канала приоткрывается всего на несколько милли– секунд, после чего она снова захлопывается. В результате струя натрия в клетку обрывается и вызванная им волна положительного заряда быстро затухает, не сильно продвинувшись вглубь нейрона. Усердно пыхтящий натрий-калиевый насос возвращает все на свои места.

Но что будет, если нервная клетка принимает нейромедиаторы от нескольких нейронов одновременно? Чем больше у нее «входящих соединений», тем сильнее ее бомбардируют нейромедиаторами, тем больше в нее впускается натрия и тем сильнее суммарная волна положительного заряда, растекающаяся по клетке. Того же самого эффекта можно достичь, если лупить нейромедиатором по одному и тому же синапсу, но с огромной частотой – так, что натриевая волна не будет успевать затухать, а будет продолжать нарастать.

И вот тут, с нарастающей натриевой волной, в дело вступает тот самый фирменный трюк нейрона, исполняемый одной из важнейших молекул в нашей нервной системе. Называется эта молекула, к сожалению, предельно банально: потенциал-зависимый натриевый канал.