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

Терруар: зазеркалье Терруар: зазеркалье

Российское виноделие переживает второе рождение

Вокруг света
Зоя Кайдановская: «Всегда был пунктик по поводу семейственности» Зоя Кайдановская: «Всегда был пунктик по поводу семейственности»

Если по телевизору показывали фильм с мамой или папой, все должны бросить дела

Караван историй
Античный герой Античный герой

Кого люди будут вспоминать через столетия?

Популярная механика
Реактивная доставка Реактивная доставка

Выпускники МГУ организовали сервис по экспресс-доставке химических реактивов

Forbes
Остров Остров

Прошлое острова Диксон – это освоение Северного морского пути и наука

Вокруг света
Самвел Мужикян. Положительный герой Самвел Мужикян. Положительный герой

"Вот поэтому я Нагиев, а ты по-прежнему Мужикян"

Коллекция. Караван историй
На границе двух миров На границе двух миров

Порой они кажутся стражами, охраняющими прибрежную полоску песка

Наука и жизнь
Приведи грудь в форму: можно ли подтянуть бюст упражнениями и как это сделать? Приведи грудь в форму: можно ли подтянуть бюст упражнениями и как это сделать?

Тренер делится своими секретами по сохранению красивой груди

Cosmopolitan
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
Настоящий детектив: как сменить МВД на IT Настоящий детектив: как сменить МВД на IT

Как перейти из правоохранительных органов в сферу информационных технологий

Inc.
Уроки на экваторе Уроки на экваторе

Месяц в деревне в Кении глазами волонтера-учительницы из России

Вокруг света
«Хамство со стороны компании»: почему увольнение 150 человек из пермской Xsolla было ошибкой «Хамство со стороны компании»: почему увольнение 150 человек из пермской Xsolla было ошибкой

Чем может обернуться для компании жесткое и экстравагантное поведение лидера

Forbes
«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
Однажды в Америке Однажды в Америке

У Дмитрия Чеботарёва и Лизы Климовой необычная история любви

OK!
«У нас нет хлеба, мы умираем» «У нас нет хлеба, мы умираем»

Массовый голод с человеческими жертвами в СССР случался неоднократно

Дилетант
Роды в 13 и аборт в 15: Даша Суднишникова и другие, кто зарабатывает хайпом Роды в 13 и аборт в 15: Даша Суднишникова и другие, кто зарабатывает хайпом

Популярным можно стать благодаря своему таланту, а можно просто хайпануть

Cosmopolitan
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
Случаи так называемого вранья Случаи так называемого вранья

О чем лгали публичные люди и как были разоблачены

Weekend
Сахаров: портрет на фоне эпохи Сахаров: портрет на фоне эпохи

Что заставило академика Сахарова вступить в противостояние с политбюро и КГБ?

Дилетант
Когерентную динамику молекулы йода измерили с фемтосекундным разрешением Когерентную динамику молекулы йода измерили с фемтосекундным разрешением

Исследованы переходы из валентных состояний в состояния с возбужденным остовом

N+1
Древнейшие обитатели Дикого поля Древнейшие обитатели Дикого поля

Кочевые племена господствовали в Причерноморье не менее двух тысяч лет

Дилетант
Северные олени оказались главной добычей древних охотников Афонтовой горы Северные олени оказались главной добычей древних охотников Афонтовой горы

Археологи проанализировали фаунистические материалы со стоянки Крутая

N+1
Здоровый образ жизни: почему он важен для нашей психики? Здоровый образ жизни: почему он важен для нашей психики?

Как повысить устойчивость психики с помощью здорового образа жизни

Psychologies
Древние жители Сунгиря оказались любителями мяса северных оленей Древние жители Сунгиря оказались любителями мяса северных оленей

Чем питались древние обитатели Сунгиря

N+1
«Чаще всего спорят на Volvo и Porsche». Откровения инспекторов ГИБДД «Чаще всего спорят на Volvo и Porsche». Откровения инспекторов ГИБДД

Сотрудники ГИБДД рассказали про палочную систему и о водителях на иномарках

РБК
Убийственная красота: что делали с женщинами румяна и кринолины Убийственная красота: что делали с женщинами румяна и кринолины

За роскошной модой прошлых столетий скрывается немало страшных тайн

Культура.РФ
Первый космический холодильник: полет нормальный Первый космический холодильник: полет нормальный

О реальных перспективах создания космического холодильника

Популярная механика
Не только Nirvana: 5 обложек известных альбомов, за которые дети тоже могут подать в суд Не только Nirvana: 5 обложек известных альбомов, за которые дети тоже могут подать в суд

Самые опасные кадры с пластинок

Maxim
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.
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
Открыть в приложении