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

Экю, пистоли, ливры… Экю, пистоли, ливры…

Давайте же разберёмся, что такое ливр, экю, пистоль и более поздний луидор

Дилетант
Остров ожидания Остров ожидания

Как Филиппу не повезло стать божеством

Maxim
На границе двух миров На границе двух миров

Порой они кажутся стражами, охраняющими прибрежную полоску песка

Наука и жизнь
Если вы так делаете, то вам скоро пришлют пачку штрафов. Разбор ситуаций Если вы так делаете, то вам скоро пришлют пачку штрафов. Разбор ситуаций

Разбираемся, за что точно прилетят «письма счастья» и как их избежать

РБК
Живительный церий Живительный церий

Прообразы будущих препаратов, которые могли бы получить практическое применение

Наука и жизнь
Браки, измена и развод: любовные страсти красоток-актрис сериала «Папины дочки» Браки, измена и развод: любовные страсти красоток-актрис сериала «Папины дочки»

Какие страсти кипят в личной жизни звезд сериала «Папины дочки»

Cosmopolitan
Сторож Мардая Сторож Мардая

Этот секретный поселок в Монголии не нанесен на карты

Вокруг света
Все свое ношу с собой: какие представители животного мира строят переносные дома Все свое ношу с собой: какие представители животного мира строят переносные дома

Насекомые, жизнь которых описывает афоризм «Все свое ношу с собой»

Вокруг света
Уроки на экваторе Уроки на экваторе

Месяц в деревне в Кении глазами волонтера-учительницы из России

Вокруг света
Придумал ТВ на спинках кресел и электронные системы бронирования: это «главный новатор авиарынка» Дэвид Нилеман Придумал ТВ на спинках кресел и электронные системы бронирования: это «главный новатор авиарынка» Дэвид Нилеман

За 30 лет Дэвид Нилеман успел основать пять авиакомпаний

VC.RU
Распилить все поровну Распилить все поровну

Мадагаскар – одна из беднейших стран в мире

Вокруг света
Юбилей овечки Долли. Когда же, наконец, клонируют человека? Юбилей овечки Долли. Когда же, наконец, клонируют человека?

Есть ли вообще в клонировании хоть какой-то смысл?

СНОБ
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
Чем кроссовер отличается от внедорожника Чем кроссовер отличается от внедорожника

Наш гид по главным автомобилям современности: кроссоверам и внедорожникам

Maxim
Растущий на обочине Растущий на обочине

Да, пожалуй, ни одну из дорог невозможно представить без этого растения

Наука и жизнь
Да это же токсичные отношения! Истории любви, которые мы напрасно идеализируем Да это же токсичные отношения! Истории любви, которые мы напрасно идеализируем

Взгляни на знакомые любовные истории под другим углом

Cosmopolitan
Строитель единой Руси? Строитель единой Руси?

Деспотическая вертикаль Батыя на века осталась в управлении Московского царства

Дилетант
Когда подчиненные умнее тебя: как преодолеть синдром бездельника и самозванца Когда подчиненные умнее тебя: как преодолеть синдром бездельника и самозванца

Отрывок из книги «Мама, я тимлид!» — о том, как быть руководителем

Inc.
Как половчанки породнили Русь и степь Как половчанки породнили Русь и степь

Рассказы о непримиримой вражде русских князей и кочевников сильно преувеличены

Дилетант
Что посмотреть и попробовать в Югре. Гид «РБК Стиль» Что посмотреть и попробовать в Югре. Гид «РБК Стиль»

Как провести отпуск в одном из крупнейших нефтедобывающих регионов мира

РБК
Добро пожаловать в черную дыру Добро пожаловать в черную дыру

Как насчет визита к одной из черных дыр?

Популярная механика
5 шоу, которые закрылись сразу после первой серии 5 шоу, которые закрылись сразу после первой серии

Далеко не каждому проекту суждено выстрелить

GQ
История карт: от наскальных рисунков до ГИС История карт: от наскальных рисунков до ГИС

Как менялись карты мира

Вокруг света
Тотьма во мне Тотьма во мне

Алексей Новосёлов уже 8 лет превращает Тотьму в место, куда хочется возвращаться

Seasons of life
Дикий соперник розы: где в России найти одно из самых красивых лекарственных растений Дикий соперник розы: где в России найти одно из самых красивых лекарственных растений

Пион — соперник розы, который завоевал сердца ценителей красоты по всеми миру

Вокруг света
«Во-первых это красиво»: самые дикие бьюти-тренды наших предков «Во-первых это красиво»: самые дикие бьюти-тренды наших предков

В прошлом девушкам приходилось иметь дело с суровыми и опасными бьюти-трендами

Maxim
Острова невезения. Похожа ли Белоруссия на Гаити Острова невезения. Похожа ли Белоруссия на Гаити

История убитого гаитянского президента Жовенеля Моиза

СНОБ
Как плавание укрепляет память и делает нас моложе Как плавание укрепляет память и делает нас моложе

Как плавание влияет на мозг?

Популярная механика
Спасибо, следующая: почему романы Егора Крида с блогершами не складываются Спасибо, следующая: почему романы Егора Крида с блогершами не складываются

Егор Крид обычно расстается громко и нередко со скандалом

Cosmopolitan
6 безобидных мероприятий, которые могут убить самые крепкие отношения 6 безобидных мероприятий, которые могут убить самые крепкие отношения

Если вы пройдете все испытания вдвоем — будете вместе вечно

Maxim
Открыть в приложении