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

Властелин Европы посреди Атлантики Властелин Европы посреди Атлантики

Святая Елена стала местом смерти Наполеона и рождения наполеоновской легенды

Дилетант
Топ-5 книг для летнего чтения Топ-5 книг для летнего чтения

Все, что нужно, чтобы расширить кругозор и получить эстетическое наслаждение

Maxim
Лена Горностаева Лена Горностаева

Какую часть мужского тела Лена Горностаева считает самой сексуальной?

Playboy
Звездные российские актрисы, которые выглядят намного моложе своих лет Звездные российские актрисы, которые выглядят намного моложе своих лет

Время будто остановилось для этих красавиц. Бьюти-секреты звезд

Cosmopolitan
Остров Остров

Прошлое острова Диксон – это освоение Северного морского пути и наука

Вокруг света
До следующего лета: 11 закоренелых мифов о здоровом питании До следующего лета: 11 закоренелых мифов о здоровом питании

Мифы о здоровом питании

Вокруг света
На границе двух миров На границе двух миров

Порой они кажутся стражами, охраняющими прибрежную полоску песка

Наука и жизнь
Хочу покупать современное искусство: что нужно знать и с чего начать Хочу покупать современное искусство: что нужно знать и с чего начать

Краткий курс для тех, кто хочет покупать современное искусство

Esquire
Распилить все поровну Распилить все поровну

Мадагаскар – одна из беднейших стран в мире

Вокруг света
Сбывшийся сон князя Гедимина: 7 фактов о Вильнюсе Сбывшийся сон князя Гедимина: 7 фактов о Вильнюсе

Вильнюс полон разных тайн, но готов раскрыть их желающим

Вокруг света
Уроки на экваторе Уроки на экваторе

Месяц в деревне в Кении глазами волонтера-учительницы из России

Вокруг света
Шницель Лионеля Месси Шницель Лионеля Месси

Рецепт шницеля по-аргентински, любимого блюда Лионеля Месси

Weekend
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
Елена Лаптандер. Жемчужина Ямала: как обычная девочка поверила в мечту и теперь помогает верить другим Елена Лаптандер. Жемчужина Ямала: как обычная девочка поверила в мечту и теперь помогает верить другим

На родине Елену Лаптандер называют «Жемчужиной Ямала»

Домашний Очаг
Сумасшедший Назимов Сумасшедший Назимов

Три произведения, которым удалось вернуть правильные имена лишь спустя много лет

Дилетант
Без моста и кочерги. Пятое поколение Cadillac Escalade Без моста и кочерги. Пятое поколение Cadillac Escalade

Новое поколение Cadillac Escalade разрушает штампы об американских внедорожниках

4x4 Club
Билет в один конец Билет в один конец

Илон Маск мечтает умереть на Марсе, и он по-своему прав

Популярная механика
Вместо бодипозитива: почему нам нужна бодинейтральность Вместо бодипозитива: почему нам нужна бодинейтральность

Почему у бодипозитива мало сторонниц

Cosmopolitan
Монарх под видом демократа Монарх под видом демократа

Октавиан Август не стал повторять ошибок Цезаря

Дилетант
Почему запрет на двойное гражданство для чиновников не помогает бороться с коррупцией Почему запрет на двойное гражданство для чиновников не помогает бороться с коррупцией

Запрет госслужащим иметь иностранные паспорта никак не защищает от коррупции

Forbes
Двери сознания Двери сознания

Где прячется человеческое «я»

Вокруг света
Берег апельсинового цвета, или 7 чудес Кастельона Берег апельсинового цвета, или 7 чудес Кастельона

Чуть севернее Валенсии есть побережье со сладким названием Коста-дель-Асаар

Вокруг света
Медицина: полезно до смерти! Медицина: полезно до смерти!

Во все века медики учились на собственных ошибках

Вокруг света
Эти правила знают все стилисты! Учимся сочетать линии в образе и выбирать одежду Эти правила знают все стилисты! Учимся сочетать линии в образе и выбирать одежду

Советы, как избежать проблем с подбором гардероба

Cosmopolitan
Как поссорились Энцо Феррарьевич с Ферруччио Ламборгиньевичем Как поссорились Энцо Феррарьевич с Ферруччио Ламборгиньевичем

Грандиозная война в мире итальянского автопрома

Maxim
Революция «без злодеяний и слез» Революция «без злодеяний и слез»

14 июля 1789 года жители Парижа взбунтовались и взяли штурмом Бастилию

Вокруг света
Факты о космической гонке между США и СССР, в которые сложно поверить Факты о космической гонке между США и СССР, в которые сложно поверить

Нацисты в космосе, замбийская космическая программа и совместный полет на Луну

Maxim
6 типов друзей, которые нужны каждому 6 типов друзей, которые нужны каждому

Как бы вы описали своих друзей?

Psychologies
Археологи нашли древнейшие свидетельства разведения буйволов на Кавказе Археологи нашли древнейшие свидетельства разведения буйволов на Кавказе

Останки животных XI–XIV веков обнаружили в ходе раскопок в городе Барда

N+1
Кредитный рейтинг: почему банки отказывают в кредитах и как этого избежать Кредитный рейтинг: почему банки отказывают в кредитах и как этого избежать

Как рассчитывается кредитный рейтинг и что позволит его повысить

СНОБ
Открыть в приложении