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

Криптобудущее Криптобудущее

Жизненный цикл цивилизаций и наступающая эпоха свободы

Популярная механика
«Знакомство в Тиндере превратило мою жизнь в кошмар» «Знакомство в Тиндере превратило мою жизнь в кошмар»

Как поиски любви превратили жизнь нашей героини в кошмар

Psychologies
«Хрустально-ясное творчество» «Хрустально-ясное творчество»

Какая удочка была для Сергея Тимофеевича Аксакова особенно дорога?

Наука и жизнь
Когда женщина была свободной: яркие страницы афганского журнала «Жизнь» Когда женщина была свободной: яркие страницы афганского журнала «Жизнь»

Вспоминаем, как афганцы пытались стать свободными

Cosmopolitan
Семейские ценности Семейские ценности

Потомки старообрядцев, оказавшихся в Забайкалье в XVIII веке, сохранили веру

Вокруг света
Сардана Авксентьева: всё возможно Сардана Авксентьева: всё возможно

Сардана Авксентьева — о детстве, любви, карьере в мужском мире и силе женщин

Домашний Очаг
На границе двух миров На границе двух миров

Порой они кажутся стражами, охраняющими прибрежную полоску песка

Наука и жизнь
«Это так не работает!»: психолог разоблачила 5 псевдонаучных трендов из TikTok «Это так не работает!»: психолог разоблачила 5 псевдонаучных трендов из TikTok

В соцсетях мы часто натыкаемся на советы. Насколько они правдивы?

Psychologies
«Маленький колодец»: под холмом в Ираке открыт новый город «Маленький колодец»: под холмом в Ираке открыт новый город

Совместная российско-иракская экспедиция работает на городище Телль Дехайла

Наука и жизнь
Истребление профессий: как новая промышленная революция может изменить общество Истребление профессий: как новая промышленная революция может изменить общество

Внедрение роботов может привести к массовому сокращению рабочих мест

Forbes
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
Любовницы, войны за детей и аборты: личные драмы звезд сериала «Склифосовский» Любовницы, войны за детей и аборты: личные драмы звезд сериала «Склифосовский»

Узнай о личных тайнах звезд сериала «Склифосовский»

Cosmopolitan
Уроки на экваторе Уроки на экваторе

Месяц в деревне в Кении глазами волонтера-учительницы из России

Вокруг света
Кому? Зачем? Алекса и другие звезды, которые заводят соцсети детям с пеленок Кому? Зачем? Алекса и другие звезды, которые заводят соцсети детям с пеленок

Не у всех знаменитостей есть инстаграм, а у этих детей есть!

Cosmopolitan
После «оттепели». «Способ неопасного диссидентства» После «оттепели». «Способ неопасного диссидентства»

Юлию, оставшуюся фактически сиротой, удочерили старшие Хрущёвы

Дилетант
Три шага к исполнению мечты Три шага к исполнению мечты

Как научиться слушать свое тело, жить в моменте и делать маленькие шаги к мечте

Psychologies
Сергей Шойгу: Неприлично не знать собственную страну Сергей Шойгу: Неприлично не знать собственную страну

Сергей Шойгу — об особенностях сибирской охоты и России

Вокруг света
Космический эфир. Как снимают в космосе Космический эфир. Как снимают в космосе

Киноаппаратура летала в космос с первых дней становления космонавтики

Популярная механика
Солнце, ветер и воздух для добычи воды Солнце, ветер и воздух для добычи воды

С каждым годом дефицит водных ресурсов на планете только усиливается

Наука и жизнь
Передумали: Кэмпбелл, Диаз и еще 6 чайлдфри-звезд, неожиданно ставших родителями Передумали: Кэмпбелл, Диаз и еще 6 чайлдфри-звезд, неожиданно ставших родителями

Каждый из них… неожиданно для всех стал родителем

Cosmopolitan
Нечеловеческий секс Нечеловеческий секс

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

Популярная механика
Новый взгляд на Врубеля: директор Третьяковской галереи Зельфира Трегулова о главных выставках сезона Новый взгляд на Врубеля: директор Третьяковской галереи Зельфира Трегулова о главных выставках сезона

Интервью с директором Третьяковки Зельфирой Трегуловой

Forbes
5 ошибок основателя EatMarket Влада Земского 5 ошибок основателя EatMarket Влада Земского

Автор проекта EatMarket Влад Земский рассказал, как избежать типичных ошибок

Inc.
«Кошмар на улице Вязов»: режиссер вдохновился реальным медицинским случаем «Кошмар на улице Вязов»: режиссер вдохновился реальным медицинским случаем

История о Фредди Крюгере вдохновлена реальным медицинским случаем

Cosmopolitan
Аверины, Великая и другие: как выглядят наши чемпионки с макияжем и без Аверины, Великая и другие: как выглядят наши чемпионки с макияжем и без

Сравниваем образы спортсменок с косметикой и без

Cosmopolitan
Как менялась Меган Маркл: скандальная герцогиня отмечает 40-летие Как менялась Меган Маркл: скандальная герцогиня отмечает 40-летие

Как менялась внешность самой обсуждаемой королевской особы

Cosmopolitan
«Мы всегда в моменте борьбы» «Мы всегда в моменте борьбы»

11-кратная чемпионка мира и 2-кратная олимпийская чемпионка Мария Шурочкина

OK!
6 способов улучшить здоровье зубов без процедур и затрат – советует стоматолог 6 способов улучшить здоровье зубов без процедур и затрат – советует стоматолог

Можно ли что-то делать, чтобы реже ходить лечить зубы?

Cosmopolitan
Стюардессы в кроссовках: как создавалась униформа для авиакомпании SkyUp Стюардессы в кроссовках: как создавалась униформа для авиакомпании SkyUp

Как SkyUp изменили форму для стюардесс и почему головные уборы устарели?

РБК
Драмы сестер-близняшек на Олимпиаде в Токио: Авериных, Веверс, Трембл и других Драмы сестер-близняшек на Олимпиаде в Токио: Авериных, Веверс, Трембл и других

Спортсмены-близнецы – не редкость, но на Олимпиаде в Токио их оказалось много

Cosmopolitan
Открыть в приложении