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

Как будущий американский самолет может доминировать в воздухе Как будущий американский самолет может доминировать в воздухе

Технологии стелс у российских Су-57, китайских J-20 и американских NGAD

Популярная механика
Фигуристые красавицы: как выглядят звезды сериала «Универ» в бикини Фигуристые красавицы: как выглядят звезды сериала «Универ» в бикини

Эти эффектные актрисы прославились благодаря съемкам в сериале «Универ»

Cosmopolitan
Гнев небес Гнев небес

Взрыв сверхновой поблизости от Земли способен уничтожить почти все живое

Вокруг света
Пища для красоты Пища для красоты

Что есть и пить, чтобы это отразилось на коже лучшим образом?

Здоровье
Сторож Мардая Сторож Мардая

Этот секретный поселок в Монголии не нанесен на карты

Вокруг света
Не только нитрат аммония: где и отчего происходили мощнейшие неядерные взрывы в истории Не только нитрат аммония: где и отчего происходили мощнейшие неядерные взрывы в истории

Мощнейшие неядерные взрывы в истории

Вокруг света
Уроки на экваторе Уроки на экваторе

Месяц в деревне в Кении глазами волонтера-учительницы из России

Вокруг света
Портрет художника на фоне другого художника Портрет художника на фоне другого художника

Анна Толстова об Игоре Грабаре в Корпусе Бенуа

Weekend
Остров Остров

Прошлое острова Диксон – это освоение Северного морского пути и наука

Вокруг света
«Всю ночь тошнило большевиками» «Всю ночь тошнило большевиками»

Леонид Андреев о том, как жить, когда вокруг все дураки

Weekend
Ярославна, которая плачет Ярославна, которая плачет

Самая известная княгиня в древнерусской истории, о которой мы знаем крайне мало

Дилетант
Как читать «Гранатовый браслет» Куприна Как читать «Гранатовый браслет» Куприна

На какие детали нужно обратить внимание в повести «Гранатовый браслет»

Культура.РФ
Потомки эмира Золотой Орды Потомки эмира Золотой Орды

Генетики получили несколько гипотез происхождения трёх казахских кланов

Наука и жизнь
Квантовый процессор превратили во временной кристалл с упорядоченными собственными состояниями Квантовый процессор превратили во временной кристалл с упорядоченными собственными состояниями

Ученые сообщили о создании истинного дискретного временного кристалла

N+1
Донбасс против Украины: кто победит? Донбасс против Украины: кто победит?

Сравнение военного потенциала участников войны в Донбассе

Эксперт
Художник и его музей Художник и его музей

Анна Толстова об Александре Ройтбурде

Weekend
«Нам всем повезло, что у нас есть русский язык». Интервью с членом Общественной палаты России Владимиром Лагкуевым «Нам всем повезло, что у нас есть русский язык». Интервью с членом Общественной палаты России Владимиром Лагкуевым

Член Общественной палаты — о том, что объединяет разные национальности России

СНОБ
Почему у пожилых людей портится характер? Почему у пожилых людей портится характер?

Почему с пожилыми людьми сложнее ладить и действительно ли причина в возрасте

Psychologies
Поглазеем: сколько форм зрачков у жаб и лягушек? Поглазеем: сколько форм зрачков у жаб и лягушек?

Очень глазастые амфибии

National Geographic
Флаги: под Южным Крестом Флаги: под Южным Крестом

На флагах нескольких стран присутствует изображение созвездия Южный Крест

Вокруг света
«Обращённый внутрь»: 9 исследований об интровертах «Обращённый внутрь»: 9 исследований об интровертах

Кто на самом деле такие интроверты

Reminder
Измены, разводы и дети: личная жизнь актеров сериала «Клиника счастья» Измены, разводы и дети: личная жизнь актеров сериала «Клиника счастья»

Бурные чувства звезд сериала «Клиника счастья»

Cosmopolitan
Головастиков голубоватой норницы впервые довели до метаморфоза в неволе Головастиков голубоватой норницы впервые довели до метаморфоза в неволе

Первый опыт по разведению редкой австралийской голубоватой норницы в неволе

N+1
Палеогенетики прояснили происхождение древних жителей Хорватии Палеогенетики прояснили происхождение древних жителей Хорватии

Ученые подтвердили происхождение населения неолита от анатолийских предков

N+1
9 советов по созданию прототипа технического устройства 9 советов по созданию прототипа технического устройства

Подводные камни на пути изготовления прототипа своего продукта

Популярная механика
5 признаков того, что вы злее, чем думаете 5 признаков того, что вы злее, чем думаете

Признаки, по которым можно распознать подавленный гнев

Psychologies
Свистать всех наверх! Страшные тайны водных просторов Свистать всех наверх! Страшные тайны водных просторов

Иэн Урбина, «Океан вне закона»

4x4 Club
Гиалуроновая ручка для увеличения губ дома: круто или опасно? Гиалуроновая ручка для увеличения губ дома: круто или опасно?

На рынке появилось устройство, с помощью которого можно увеличить губы дома

Cosmopolitan
Клан сурикатов Клан сурикатов

Сурикаты: жизнь по законам мафии

Вокруг света
Веселье продолжается Веселье продолжается

Почему закись азота за два с лишним века так и не стала лекарством

N+1
Открыть в приложении