Мы – электрические. Новая наука об электроме тела

Это чрезвычайно важное открытие, и оно должно было стимулировать ряд новых исследований по анализу информации, которую переносят ионы (так оно и было какое-то время: в одном исследовании сообщалось, что в океанских водах вблизи крупных исследовательских центров исчезли кальмары). Однако этот всплеск интереса был кратковременным. Только животное электричество вновь вышло на научную сцену, как небо над ним тут же заволокло тучами. Вскоре после открытия механизма передачи нервного импульса Ходжкином и Хаксли внимание общественности привлекли два других молодых исследователя, получившие, казалось бы, гораздо более важный результат: они установили структуру двойной спирали. В 1953 году Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик объявили об открытии структуры ДНК (при участии Розалин Франклин). “Есть только молекулы. Остальное – это социология”, – заявил Уотсон[113], и значение биоэлектричества в очередной раз было подавлено другим, более “крупным” открытием, как это уже произошло во времена Гальвани.

Ходжкин и Хаксли показали, что потенциал действия принципиальным образом зависит от удержания клеткой калия и удаления натрия. Но кроме чарующего влияния ДНК была и более важная причина, по которой открытый ими путь исследований не привел к исследованиям на человеке. Она заключается в отсутствии достаточно тонких инструментов, позволяющих изучить все углы и закоулки, в которых следовало бы проанализировать поступление ионов в клетки и их удаление из клеток, а также установить механизмы этих процессов. И в результате важные вопросы так и остались без ответа.

Старинная теория, восходящая еще к временам Дюбуа-Реймона, гласила, что клеточная мембрана очень часто растворяется, становясь проницаемой для ионов, как раздвижной занавес[114]. Однако эта теория была не очень правдоподобной и стала еще менее правдоподобной после открытий Ходжкина и Хаксли. Обнаружив, как ионы калия и натрия меняются местами, Ходжкин понял, что мембрана не просто раздвигается, как занавес. Она активным образом выбирает, что впускать внутрь, а что выпускать наружу. Но какой механизм управляет этим процессом? Есть ли у нейронов специфические поры для специфических ионов?

Как нервная клетка узнает, что нужно избавиться от ионов натрия, не трогая ионы калия? Дополнительная сложность заключается в том, что ион калия примерно на 16 % крупнее иона натрия, так что вопрос о том, как клетке удается мгновенно избавляться от всех ионов калия и впускать ионы натрия, оставался нераскрытой тайной.

В результате многолетних исследований Ходжкин и Хаксли сформулировали теорию о том, что ионы входят в клетку и выходят из нее через крохотные поры, пронизывающие мембрану, как дырочки в сите: может быть, какие-то из этих пор предпочитали ионы натрия, а какие-то – калия? Ученые начали рассуждать об этой динамике и строить разные теории, не давая названия этим порам, пока их не окрестили ионными каналами.

Ионный человек

Что же такое ионный канал? В 1960-е годы ученые начали подозревать, что эти поры на самом деле представляют собой туннели, образованные мембранными белками. Но дальше никто не продвинулся, пока в начале 1970-х годов этим вопросом не занялись физик Эрвин Неэр и физиолог Берт Закман из Института биофизической химии Макса Планка в Геттингене, в Западной Германии. Они рассудили, что, если эти крохотные поры действительно существуют, можно зафиксировать слабые токи, возникающие при прохождении через них ионов. Но поскольку эти токи в сотню тысяч миллионов раз слабее тока, от которого работает наш кухонный тостер, для их регистрации требовалось оборудование гораздо более чувствительное, чем что-либо созданное ранее.

Поэтому Неэр и Закман сконструировали новое устройство, которое могло отделять небольшой участок нейрона, содержащий лишь несколько таких гипотетических пор или вовсе лишь одну. Ионы и поры слишком малы, чтобы их можно было увидеть с помощью инструментов того времени, но, когда Неэр и Закман смогли зарегистрировать слабенький ток, протекающий через единственную ионную пору в мембране живой клетки, они доказали само существование этих пор. Они действительно существовали.

Более того, эти двое ученых установили, как функционируют эти поры. Форма электрических импульсов показывала, что поры могут существовать в одном из двух состояний: они либо полностью открыты, либо полностью закрыты. Они не могут быть открыты наполовину[115]. А уж если они открыты, они открыты по полной. Ионы калия и натрия проходят через одну открытую ионную пору со скоростью от 10 000 до 100 000 ионов за миллисекунду. Это огромное количество единичных зарядов.