Вопрос о существовании «животного электричества»

Наука и жизньНаука

Электрические кабели живых клеток

Кандидат физико-математических наук Василий Птушенко

Серия рисунков из книги Луиджи Гальвани «Трактат о силах электричества при мышечном движении» (1791), иллюстрирующих различные схемы экспериментов с препарированными лапками лягушки, Лейденскими банками и другим лабораторным оборудованием того времени.

В ходе развития научных представлений о мире подчас обнаруживается много общего между явлениями и закономерностями, относящимися, казалось бы, к разным областям знания. В результате удаётся установить универсальные законы природы. В качестве наиболее известных примеров можно вспомнить установление единства законов «земного» и «небесного» мира благодаря исследованиям Кеплера, Галилея, Ньютона; установление общности электрических, магнитных и оптических явлений трудами Эрстеда, Фарадея, Максвелла и других учёных; поиски единства принципов протекания электромагнитных и механических явлений, которые привели к созданию специальной теории относительности.

Важную страницу в истории науки составили поиски единства законов живой и неживой природы. Одним из вопросов, который стал ключевым на долгое время, оказался вопрос о существовании «животного электричества». Обнаружил это явление в 1786 году Луиджи Гальвани, экспериментируя с сокращениями лапки лягушки.

Гальвани полагал, что мышца лапки лягушки — источник электрического тока. Его открытие оспорил Алессандро Вольта, показав, что в опытах Гальвани источником электрического тока были металлы, соединявшие разные участки лапки. Спустя почти полвека, в конце 1830-х годов, Карло Маттеуччи доказал правоту Гальвани. Почти в то же время Майкл Фарадей показал, что электричество, которое вырабатывается электрическими органами скатов, ничем не отличается от электричества, генерируемого известными к тому времени «физическими» способами — гальваническими элементами или трением. Последующая вековая история исследований электричества в живых организмах, включая исследования Эмиля Дюбуа-Реймона и Германа Гельмгольца, Юлиуса Бернштейна и Лудимара Германа и ряда других учёных, привела к пониманию физических механизмов образования и распространения электрических потенциалов в живых клетках. Стало ясно, что носители электрического тока — ионы, содержащиеся в цитоплазме клеток и в окружающей их среде, а место возникновения электрического потенциала — мембрана клетки.

Мембрана, образованная в первую очередь липидами, сама по себе непроницаема для ионов, поэтому служит хорошим изолятором. В то же время в этот липидный слой встроены белки, некоторые из них могут образовывать поры для ионов (называемые ионными каналами и, как правило, регулируемые) и позволять им перейти на другую сторону мембраны или же, наоборот, активно перекачивают их с одной стороны мембраны на другую (ионные помпы). Работа ионных помп приводит к образованию разности электрических потенциалов между цитоплазмой клетки и окружающей средой. Этот потенциал может распространяться и на соседние участки мембраны, а также регулировать работу других её белков. Изучение ионных каналов и насосов позволило в итоге построить математическую модель генерации и распространения нервных импульсов (так называемых потенциалов действия) по мембранам нервных клеток, что стало триумфом электробиологии. За построение этой модели к 1952 году англичане Алан Ходжкин и Эндрю Хаксли были удостоены Нобелевской премии 1963 года (вместе с австралийским нейрофизиологом Джоном Экклсом).

Но...

Мембранная энергетика живых клеток

Спустя всего несколько лет стало ясно, что в этой детально изученной картине ещё остаются большие белые пятна. Дело в том, что объектом всех исследований, проведённых к тому моменту, была внешняя мембрана клетки — так называемая плазматическая, или клеточная мембрана. И все представления о клеточном электричестве оказались связаны именно с ней. Но кроме плазматической мембраны в клетке имеется ещё множество внутренних мембран. В 1960-х годах предметом особого интереса исследователей стали мембраны митохондрий. Митохондрии — органеллы клетки, играющие роль её тепловых электростанций: в них происходит окисление (то есть, по сути, медленное сгорание) органических веществ, в результате которого образуется энергия, непосредственно используемая клеткой во множестве «энергоёмких» процессов (илл. 1). Основная форма этой энергии, которая была к тому времени известна, — это энергия молекулы аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). По сути — это тоже химическая энергия, только в более унифицированной и удобной для использования клеткой форме, чем она была в исходном органическом «топливе» митохондрий. То есть АТФ можно назвать энергетической валютой клетки, имеющей химическую природу. В этом отношении сравнение митохондрии с электростанцией, где происходит преобразование химической энергии в электрическую, оставалось не совсем точным.

Илл. 1. Схематичное изображение митохондрии. Во внутренней мембране содержатся белки дыхательной цепи, образующие на ней разность электрических потенциалов. Рисунок: Kelvinsong; Sowlos/Wikimedia Commons/CC BY-SA 3.0 (с изменениями).

Однако детальные исследования процессов, происходящих в митохондриях, показали, что АТФ — не единственная и даже не первая форма энергетической валюты, образующаяся в митохондриях при окислении органического субстрата. Первая же — электрическая энергия, запасённая в форме разности электрических потенциалов между двумя сторонами внутренней митохондриальной мембраны (у митохондрии их две, внешняя и внутренняя)! Несмотря на то, что существование аналогичной разности потенциалов на плазматической мембране клетки было уже хорошо известно и общепризнанно (выше мы упомянули о Нобелевской премии, присуждённой А. Ходжкину, Э. Хаксли и Дж. Экклсу, которая отражала это признание), гипотеза о «митохондриальном электричестве», выдвинутая в 1961—1966 годах английским биохимиком Питером Митчеллом и получившая название хемиосмотической гипотезы, первоначально встретила столь же острое неприятие, как в своё время гипотеза «животного электричества» Гальвани. Но ей повезло больше: уже через несколько лет, в 1969 году, гипотеза о «митохондриальном электричестве» была доказана биохимиком Владимиром Скулачёвым, биофизиком Ефимом Либерманом и их коллегами.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Открытие, получившее признание через век Открытие, получившее признание через век

Владимир Буткевич первым задался проблемой соотношения бактерий

Наука и жизнь
Ольга Журавлева: История пряхи, хобби которой стало философией жизни Ольга Журавлева: История пряхи, хобби которой стало философией жизни

Ольга Журавлева живёт во Владимире и возрождает старинное ремесло — прядение

Домашний Очаг
На границе двух миров На границе двух миров

Порой они кажутся стражами, охраняющими прибрежную полоску песка

Наука и жизнь
Для чего беспилотным автомобилям все еще нужны люди Для чего беспилотным автомобилям все еще нужны люди

Где можно найти тень человека в беспилотных автомобилях, если внутри — пусто?

Популярная механика
Используй ложку и телефон: 20 способов доставить себе удовольствие Используй ложку и телефон: 20 способов доставить себе удовольствие

Двадцать разных способов мастурбации на любой вкус и цвет

Cosmopolitan
Эпоха цифровых моделей: что сменило циркуль и бумагу в XXI веке Эпоха цифровых моделей: что сменило циркуль и бумагу в XXI веке

Новый этап в истории цифрового моделирования

Популярная механика
11 способов становиться немного умнее каждый день 11 способов становиться немного умнее каждый день

Интеллект, как и тело, требует правильного питания и регулярных тренировок

Psychologies
Как побеждать треть века и вернуть чемпионский титул в пятьдесят: время, точность и напор Михаила Ботвинника Как побеждать треть века и вернуть чемпионский титул в пятьдесят: время, точность и напор Михаила Ботвинника

Как гроссмейстер Михаил Ботвинник удерживал титул долгие десятилетия

Esquire
Остров Остров

Прошлое острова Диксон – это освоение Северного морского пути и наука

Вокруг света
Звезда по имени Солнце: 9 мифов о Викторе Цое Звезда по имени Солнце: 9 мифов о Викторе Цое

Разоблачение мифов о рок-музыканте, звезде и голосе поколения Викторе Цое

Вокруг света
Распилить все поровну Распилить все поровну

Мадагаскар – одна из беднейших стран в мире

Вокруг света
Обновление режима: о чем стоит задуматься в годовщину отравления Алексея Навального Обновление режима: о чем стоит задуматься в годовщину отравления Алексея Навального

Навальный выводил обывателей из зоны комфорта

Forbes
Уроки на экваторе Уроки на экваторе

Месяц в деревне в Кении глазами волонтера-учительницы из России

Вокруг света
Как выглядят дочери российских режиссеров в бикини: Меньшова, Михалкова и другие Как выглядят дочери российских режиссеров в бикини: Меньшова, Михалкова и другие

Дочери мэтров российского кинематографа обладают прекрасными внешними данными

Cosmopolitan
Северная доставка Северная доставка

Как компания из Архангельска стала крупнейшим игроком на рынке фудтеха

Forbes
Одежда — это высказывание: что такое осмысленная мода, объясняет Петр Коваленко Одежда — это высказывание: что такое осмысленная мода, объясняет Петр Коваленко

Как вещи становятся любимыми?

Cosmopolitan
Герасим и топор, или Преступление без наказания Герасим и топор, или Преступление без наказания

Вероятно, это самое знаменитое описание преступления в мировой литературе

Дилетант
Опасное одиночество: как гены обусловили наше желание быть в обществе Опасное одиночество: как гены обусловили наше желание быть в обществе

Почему мы вечно переживаем, что подумают о нас другие?

Inc.
Автобудущее Автобудущее

Мы находимся на пороге одних из самых быстрых перемен в работе транспорта

Популярная механика
Тысяча и одна тарелка: Алхимик Аведис искал золото для себя, а нашел его для всех музыкантов мира Тысяча и одна тарелка: Алхимик Аведис искал золото для себя, а нашел его для всех музыкантов мира

Секрет изготовления музыкальных тарелок

Популярная механика
Нечеловеческий секс Нечеловеческий секс

Почему мы все еще занимаемся сексом по старинке – с живыми людьми?

Популярная механика
Кораллы, мозги, кубки: 3 причудливых гриба, встречающихся в российских лесах Кораллы, мозги, кубки: 3 причудливых гриба, встречающихся в российских лесах

Природа полна причуд, и грибное царство не исключение

Вокруг света
Бедные vs богатые. У каких родителей больше шансов вырастить миллионера Бедные vs богатые. У каких родителей больше шансов вырастить миллионера

Как уровень дохода родителей влияет на будущее ребенка

СНОБ
Убить по правилам: кодексы чести в Российской империи Убить по правилам: кодексы чести в Российской империи

В XIX столетии начался настоящий дуэльный бум

Вокруг света
Я узнала, как вернуться в прошлое Я узнала, как вернуться в прошлое

Новая русская литература часто рождается не в России

Esquire
Портрет художника на фоне другого художника Портрет художника на фоне другого художника

Анна Толстова об Игоре Грабаре в Корпусе Бенуа

Weekend
Численность популяции шотландских бобров-нелегалов достигла тысячи особей Численность популяции шотландских бобров-нелегалов достигла тысячи особей

Бобры заняли более 250 территорий на юге Шотландии

N+1
Вечная молодость: сохранить здоровье и красоту проще, чем кажется Вечная молодость: сохранить здоровье и красоту проще, чем кажется

Как современные технологии помогут нам сохранить здоровье?

Psychologies
Барон апельсин и его родня Барон апельсин и его родня

Более трети всех собираемых на Земле фруктов — цитрусовые

Вокруг света
В стиле ретро: прически из 20-х годов, которые снова актуальны В стиле ретро: прически из 20-х годов, которые снова актуальны

Прически из 20-х годов. Декаданс, таинственность и изысканная женственность

Cosmopolitan
Открыть в приложении