Мы – электрические. Новая наука об электроме тела

Ионами эти частицы назвал Майкл Фарадей, поскольку они постоянно движутся, как будто по собственной воле[104]. Между прочим, Фарадей обнаружил движение ионов благодаря батарейке Вольты. В 1814 году Вольта передал ему один из своих первых прототипов[105], с помощью которого Фарадей установил принципы действия электрического мотора и индукции, а также унифицировал законы электричества. Но для нашего рассказа гораздо важнее то, что батарейка помогла ему обнаружить существование ионов. Фарадей экспериментировал с разными химическими соединениями: он помещал их в воду, подавал электрический ток и наблюдал за происходящим. Химические соединения состоят из двух или нескольких разнородных элементов и под действием электрического тока разделяются на эти элементы, как будто кекс разделяется на составляющие компоненты – сахар и муку. Если воспользоваться этим сравнением, можно сказать, что под действием тока частицы “сахара” выделяются из смеси и движутся в сторону одного электрода, пропускающего ток через воду. А частицы “муки” собираются у другого электрода[106]. Фарадей не знал, что это означает. Что протекает через воду и накапливается на электродах? В 1834 году он окрестил эти загадочные частицы ионами, и на протяжении последующих пятидесяти лет о них больше не узнали практически ничего нового.

Затем, в 1880-е годы, шведский ученый Сванте Аррениус понял, что ионы движутся под действием электрических сил, что понятно, поскольку ионы – не нейтральные атомы, а имеют положительный или отрицательный заряд. И это объясняет, почему они движутся в растворе словно по собственной воле. На самом деле это совсем не так. Просто положительно заряженные ионы притягиваются к отрицательному полюсу батарейки, а отрицательно заряженные – к положительному. Наконец-то наблюдениям Фарадея было дано простое объяснение.

Данное свойство реализуется во всех растворах, включая биологический суп, омывающий изнутри и снаружи все клетки во всех биологических тканях. Ионы поддерживают в нас жизнь. Если вам когда-нибудь ставили капельницу, вам следует благодарить за эту технологию именно ионы, а также физиолога XIX века Сиднея Рингера, который подобрал точный состав раствора натрия, калия и других электролитов, который заполняет сосуды, имитируя межклеточную жидкость. Кроме того, этот раствор позволяет поддерживать жизнедеятельность органов, извлеченных из тела. Рингер поставил первый эксперимент на сердце лягушки, которое в этом новом “физиологическом растворе” продолжало нормально биться на протяжении нескольких часов без участия самой лягушки[107]. Поначалу раствор так и называли раствором Рингера, и он оказал чрезвычайно важное влияние на развитие биологии.

Почему ионы так важны? Что в них такого особенного, что мы не можем без них жить? К концу XX века постепенно сложилось общее мнение, согласно которому ионы стали считать главными действующими элементами в электрической передаче нервных импульсов.

С появлением “нейронной доктрины” мы узнали следующее. Во-первых, биохимики установили, что положительно заряженные ионы, например ионы натрия, и отрицательно заряженные ионы, например ионы хлора, при передвижении всегда переносят с собой свой заряд. Во-вторых, благодаря таким людям, как Рингер, стало ясно, что ионы заполняют пространство внутри наших клеток и во внеклеточной среде. Наконец, в-третьих, мы поняли, что потенциал действия создает электрический ток достаточной силы, чтобы отклонять стрелку гальванометра при прохождении сигнала по нервным клеткам. Все это вкупе доказывало, что по нервам и мышцам перемещаются электрические заряды. Но, как и в XVIII веке, когда у нас имелся лишь набор разрозненных наблюдений о животном электричестве без объединяющей их теории, так и здесь у нас все еще не было способа осмыслить все эти отдельные факты об ионах и нервной системе. По крайней мере до 1940-х годов, когда в серии экспериментов было показано, как именно ионы исполняют главную роль в электрической передаче нервного импульса.

Алан Ходжкин и Эндрю Хаксли понимали: если они смогут продемонстрировать, что концентрации ионов внутри нервной клетки и снаружи изменяются по-разному при прохождении потенциала действия, они раз и навсегда докажут, что в основе зарождения биоэлектрических сигналов лежит электричество, что оно является причиной, а не отражением каких-то химических процессов[108]. И вновь под нож легли лягушки, но их нервы оказались слишком тонкими, чтобы исследовать содержание ионов в их мембранах с помощью какого-либо имевшегося на тот момент инструмента. Ходжкин и Хаксли попробовали работать с крабами. Но нервы крабов тоже оказались слишком тонкими. Наконец, они нашли существо с достаточно крупными нервными клетками, чтобы подключить к ним электрод: это был кальмар.