Энергия для наших чувств

Итак, мы чувствуем с помощью электричества. Нервная система - это сложное переплетение электрических проводников. Но проводников, устроенных очень своеобразно: ток не бежит по нервам, как по проводам (Нервы были бы просто бесполезны, если бы их использовали как электрические провода: их сопротивление примерно в 100 миллионов раз больше, чем медной проволоки, а "изолированы" они в миллион раз хуже, чем обычный электропровод!).

Для электронов в нерве приготовлено не ровное шоссе. Нет, их путь природа превратила в скачку с препятствиями.

Скачка начинается приблизительно так.

Нервная клетка, или нейрон, несколько похожа на вырванное с корнем дерево. "Корни" - тело клетки, взъерошенное исходящими из него отростками - дендритами. "Ствол" - аксон, длинное нервное волокно, растущее из тела клетки. На конце аксон ветвится - это "ветви" дерева, на которое похожа нервная клетка.

Аксон бывает и длинным и коротким. На некоторых нервных путях, соединяющих мозг человека с кончиками пальцев на ногах, только три нейрона, последовательно соединившись, образуют цепь нервной передачи. У них аксоны длиной больше метра! (Хотя сам нейрон, наделенный столь длинным "хвостом", меньше двух сотых сантиметра в поперечнике.) Но аксоны нейронов головного мозга обычно не длиннее сотых долей миллиметра.

Аксон - это тот проводник, по которому бежит нервный импульс. По веточкам на конце, которые входят в контакт с входными "клеммами" других нейронов, он передает возбуждение следующим членам нервной цепи. Место соединения аксона с дендритом, либо телом другого нейрона, называют синапсом.

Оболочка клетки, мы уже это знаем, постоянно "выкачивает" ионы натрия наружу, вон из клетки, и "накачивает" в протоплазму ионы калия (Концентрация ионов натрия снаружи в десять раз выше, чем внутри аксона, а калия - наоборот: внутри аксона в тридцать раз больше, чем снаружи.).

Уже сто лет, как известно, что протоплазма клетки заряжена отрицательно по отношению к окружающей клетку жидкости. По-видимому, активный и избирательный перенос ионов клеточной мембраной поддерживает электрическое напряжение на ее границах. В нервной клетке внутренний отрицательный потенциал равен приблизительно 70 милливольтам.

В некоторых клетках минус 80-90 милливольт. Но когда нейрон получает через свои "клеммы" от других нейронов электрические импульсы, они несколько понижают его внутренний электрический потенциал.

Дальше происходит вот что: "это снижение потенциала, - пишет Дин Вулдридж в книге "Механизм мозга", - распространяется на ближний участок основания аксона. Если деполяризация достигает достаточной величины, то аксон проявляет интересную, лишь ему свойственную особенность: происходит электрический "пробой" его оболочки. Точнее говоря, уменьшение его внутреннего потенциала с 70 до 60 милливольт ведет к внезапному изменению проницаемости мембраны, отделяющей протоплазму аксона от окружающей жидкости".

Отворяется, как иногда говорят физиологи, натриевая "дверца", ионы натрия, которые толпились снаружи у клеточной оболочки, бессильные ее преодолеть, сразу устремляются внутрь аксона. Они заряжены положительно, и поэтому внутренний потенциал аксона в месте, где произошел "пробой", падает еще ниже: от минус 60 милливольт до некоторой положительной величины по отношению к замембранной территории (Например, до плюс 40 милливольт в гигантском, достигающем в толщину более миллиметра аксоне кальмара, в экспериментах над которым в основном и была изучена нервная клетка.).

Положительный потенциал внутри клетки! - сразу же в соседнем участке аксона возникает новый "пробой". А за "пробоем" - перемещение ионов натрия внутрь аксона. Затем деполяризация этого участка, и новый третий "пробой" с ним по соседству. И так все дальше и дальше: вдоль по аксону бежит импульс деполяризации, или, как говорят, потенциал действия.

А в том месте, где только что был "пробой", разыгрываются уже другие события.

Натриевая "дверца", открывшись ненадолго, сейчас же закрывается, и открывается калиевая "дверца". Мембрана аксона быстро пропускает теперь сквозь себя ионы калия, которые торопливо выскакивают наружу и уносят с собой положительные заряды (ведь они, как и ионы натрия, тоже отмечены крестиками!). Сейчас же там, где открылась калиевая "дверца" и утекли плюсовые заряды, возникает номинальный отрицательный потенциал - минус 70 милливольт. И сейчас же снова в этой зоне аксона начинает действовать натриево-калиевый насос, а клеточная мембрана вновь устанавливает прежнюю сегрегацию ионов калия и натрия (обе "дверцы" захлопнулись!).

Все происходит за одну-две тысячные доли секунды, и, продолжает Вулдридж, "к тому моменту, когда участок аксона вновь приобретает способность к возбуждению, потенциал действия уже проходит расстояние, во много раз превышающее диаметр аксона, и находится слишком далеко, чтобы вызвать повторный заряд в восстановившей свою возбудимость протоплазме". Вот почему нервный импульс всегда бежит по аксону только в одну сторону: прочь от своего нейрона к другому нейрону.

Как только мембрана, одевающая основание аксона, захлопнет обе "дверцы", новый нервный импульс может отправиться с этого старта в путешествие по аксону.

Если сигналы, побуждающие нейрон к действию, очень сильные, "пробой" быстро нарушает преграду, разделяющую внутренние и наружные ионы. Поэтому и нервные импульсы быстро бегут друг за другом: иногда через каждую сотую секунды. Но когда сигналы слабые, требуется больше времени для преодоления ионами пограничных постов мембраны. Тогда и частота нервных импульсов невелика. У человека есть аксоны, по которым они мчатся со скоростью урагана: 100 метров в секунду! Но есть и другие: возбуждение проходит по ним не быстрее пешехода: 3-4 километра в час (метр в секунду).

Однако с какой бы скоростью и частотой ни распространялись импульсы по нерву, они приходят к финишу, в отличной форме: такими же сильными, какими тронулись со старта. Даже если от старта до финиша расстояние в тысячу раз больше, чем диаметр проводника, то есть нервного волокна.

Вначале физиологи не могли понять, почему так невероятно "выносливы" эти электробегуны по нервам. Теперь мы знаем почему: ведь каждый "пробой" возбуждает импульс такой же силы, какой обладал породивший его самого импульс от предыдущего "пробоя". Таким образом, импульсы на всем пути своего продвижения бесконечное число раз заново возрождаются.

А энергию, необходимую для питания этой бесконечной регенерации, нервная клетка черпает, принудительно поддерживая (против норм осмотического давления) неравную концентрацию ионов натрия и калия по обе стороны своей оболочки.

Ионная сегрегация на границах атома жизни - вот, по-видимому, первичный источник энергии наших ощущений и чувств.