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

Живительный церий Живительный церий

Прообразы будущих препаратов, которые могли бы получить практическое применение

Наука и жизнь
Подмосковный Трианон. Об Абрамцево, его драмах и тайнах Подмосковный Трианон. Об Абрамцево, его драмах и тайнах

Это одно из самых красивых мест Подмосковья

СНОБ
Семейские ценности Семейские ценности

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

Вокруг света
Фибромиалгия: как Леди Гага, Шинейд О'Коннор и другие живут с постоянной болью Фибромиалгия: как Леди Гага, Шинейд О'Коннор и другие живут с постоянной болью

Что такое фибромиалгия и как с ней живут знаменитости?

Cosmopolitan
«Хрустально-ясное творчество» «Хрустально-ясное творчество»

Какая удочка была для Сергея Тимофеевича Аксакова особенно дорога?

Наука и жизнь
Эволюция Бейонсе Эволюция Бейонсе

Бейонсе переросла статус поп-иконы и превратилась в настоящий культурный феномен

Harper's Bazaar
Уроки на экваторе Уроки на экваторе

Месяц в деревне в Кении глазами волонтера-учительницы из России

Вокруг света
Метаболизм замедляется с возрастом, но не тогда, когда все думают Метаболизм замедляется с возрастом, но не тогда, когда все думают

Ученые теперь ставят под сомнение правила диет, тренировок и всего остального

Cosmopolitan
Распилить все поровну Распилить все поровну

Мадагаскар – одна из беднейших стран в мире

Вокруг света
Обмани меня: как работает полиграф и можно ли ему доверять Обмани меня: как работает полиграф и можно ли ему доверять

Трепещите, врунишки, перед вами полиграф!

Playboy
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
В Хакасии обнаружили женский скелет и погребальную «куклу» в могиле таштыкской культуры В Хакасии обнаружили женский скелет и погребальную «куклу» в могиле таштыкской культуры

Археологи обнаружили в Хакасии скелет женщины и останки в погребальной «кукле»

N+1
На границе двух миров На границе двух миров

Порой они кажутся стражами, охраняющими прибрежную полоску песка

Наука и жизнь
Бордель под видом храма: чем «ученица Распутина» прославилась в Европе Бордель под видом храма: чем «ученица Распутина» прославилась в Европе

«Сатанинская женщина» — так называла себя Мария Нагловская

Cosmopolitan
Мороз и засуха едины Мороз и засуха едины

Голод с большим количеством смертей в Европейской России 1891 года

Дилетант
Первые ласточки. Новые пикапы Great Wall Первые ласточки. Новые пикапы Great Wall

Great Wall Motor (GWM) вернулся на отечественный рынок с двумя пикапами сразу

4x4 Club
Как кофеин влияет на мозг и тело: неожиданные факты Как кофеин влияет на мозг и тело: неожиданные факты

Исследования выявили ряд интересных фактов, связанных с кофеином

Psychologies
Мария Куликова: Я ощутила вкус жизни Мария Куликова: Я ощутила вкус жизни

Звезда сериала «Склифосовский» Мария Куликова о любимых мужчинах

Добрые советы
Берлин, 22 июня… Берлин, 22 июня…

В тот день футбол интересовал немцев больше, чем сообщения о военных действиях

Дилетант
Футбол и вера. В чем секрет второго сезона сериала «Тед Лассо» Футбол и вера. В чем секрет второго сезона сериала «Тед Лассо»

Необязательно любить футбол, чтобы полюбить «Теда Лассо», спортивный сериал

РБК
Двери сознания Двери сознания

Где прячется человеческое «я»

Вокруг света
Белорусская бегунья Тимановская рассказала об угрозах и увольнении мужа из-за поддержки протестов Белорусская бегунья Тимановская рассказала об угрозах и увольнении мужа из-за поддержки протестов

Легкоатлетка Кристина Тимановская об угрозах в свой адрес

Forbes
Big Tech на суде: чем могут обернуться антимонопольные иски против техногигантов Big Tech на суде: чем могут обернуться антимонопольные иски против техногигантов

Президент США считает, что у IT-гигантов слишком много рыночной власти

Forbes
Все течет: 9 загадок «Композиции VI» Кандинского Все течет: 9 загадок «Композиции VI» Кандинского

«Композиция VI» Кандинского — история о преодолении хаоса

Вокруг света
От нового «Соболя» до родстера для полиции. Все автопремьеры «Армии-2021» От нового «Соболя» до родстера для полиции. Все автопремьеры «Армии-2021»

Интересные автомобили крупнейшего военного форума

РБК
Клубок мифов: 12 фактов и выдумок о ежах Клубок мифов: 12 фактов и выдумок о ежах

Популярные мифы о колючих животных

Вокруг света
Генерал на поле битвы с мифами: как Глория Стайнем боролась за равноправие полов в США Генерал на поле битвы с мифами: как Глория Стайнем боролась за равноправие полов в США

«Самая известная феминистка в мире» — так называют журналистку Глорию Стайнем

Forbes
Разрушительные торнадо и смерчи: что ждет Россию дальше? Отвечает эксперт Разрушительные торнадо и смерчи: что ждет Россию дальше? Отвечает эксперт

Погода не перестает удивлять

Playboy
Сотрудники на удалёнке совмещают две работы втайне от начальства — и получают от $200 тысяч до $600 тысяч в год Сотрудники на удалёнке совмещают две работы втайне от начальства — и получают от $200 тысяч до $600 тысяч в год

Сотрудники придумали, как отлынивать и работать сразу в нескольких компаниях

VC.RU
Тайная свадьба: Ирина Горбачева стала женой известного украинского певца Тайная свадьба: Ирина Горбачева стала женой известного украинского певца

Ирина Горбачева рассказала о браке с возлюбленным

Cosmopolitan
Открыть в приложении