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

Настя Ивлеева Настя Ивлеева

Настя Ивлеева: «Цифровая реальность – это в высшей степени сексуально!»

Playboy
Самый стильный маникюр на эту осень: идеи и тренды от нейл-эксперта Самый стильный маникюр на эту осень: идеи и тренды от нейл-эксперта

Идеи для модного маникюра на осень

Cosmopolitan
Терруар: зазеркалье Терруар: зазеркалье

Российское виноделие переживает второе рождение

Вокруг света
Немного мистики: тату, которые выглядят круто, но страшновато Немного мистики: тату, которые выглядят круто, но страшновато

«Татуировки пятницы, 13-го»: тату со скрытым смыслом

Cosmopolitan
На границе двух миров На границе двух миров

Порой они кажутся стражами, охраняющими прибрежную полоску песка

Наука и жизнь
Почему отказаться от сладкого не проще, чем бросить курить Почему отказаться от сладкого не проще, чем бросить курить

Мозг испытывает большую тягу к кусочку рафинированного сахара, чем к кокаину

Популярная механика
Уроки на экваторе Уроки на экваторе

Месяц в деревне в Кении глазами волонтера-учительницы из России

Вокруг света
Александр Прокофьев и Григорий Васинкевич Александр Прокофьев и Григорий Васинкевич

Яхтсмены FLOW выиграли чемпионат России и теперь целятся на мировое первенство

Собака.ru
«Хрустально-ясное творчество» «Хрустально-ясное творчество»

Какая удочка была для Сергея Тимофеевича Аксакова особенно дорога?

Наука и жизнь
Все побежали, и я побежал… Все побежали, и я побежал…

Бег в нашей стране стал невероятно популярным видом спорта

Psychologies
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
Как кошки захватили мир Как кошки захватили мир

Рядом с нами живут существа, проигнорировавшие несколько тысяч лет эволюции

Вокруг света
Распилить все поровну Распилить все поровну

Мадагаскар – одна из беднейших стран в мире

Вокруг света
Лучшие фильмы, чтобы посмотреть в пятницу, 13-е Лучшие фильмы, чтобы посмотреть в пятницу, 13-е

Фильмы про ужасный уикенд, которые ты мог пропустить!

Maxim
«У нас хватило ума…» «У нас хватило ума…»

Как завершалась холодная война между СССР и США?

Дилетант
Смерть от шляпы, корсета и зеленого цвета: 7 опасных модных тенденций Смерть от шляпы, корсета и зеленого цвета: 7 опасных модных тенденций

Стремление следовать моде в одежде может привести к самым печальным последствиям

Вокруг света
Число круче, чем π Число круче, чем π

На сегодняшний день нет области знаний, где бы число е не использовалось

Наука и жизнь
Детка в клетке Детка в клетке

Итальянский дизайнер Самуэле Мацца уже год живет за решеткой по своему желанию

AD
Тюрьма и парк Моабит Тюрьма и парк Моабит

Самая страшная тюрьма нацистского режима

Дилетант
В НИУ ВШЭ создали интерактивную карту истории рок-музыки в Екатеринбурге В НИУ ВШЭ создали интерактивную карту истории рок-музыки в Екатеринбурге

Карта истории рок-музыки в Екатеринбурге

Популярная механика
Половцы: кому враги, а кому союзники Половцы: кому враги, а кому союзники

Половцы больше всех повлияли на развитие молодого государства Древней Руси

Дилетант
«Я не проститутка!»: любовницы Павла Мамаева - флорист, модель и подруга жены «Я не проститутка!»: любовницы Павла Мамаева - флорист, модель и подруга жены

Бывшая жена Павла Мамаева не раз уличала его в изменах

Cosmopolitan
Как животные и растения переживают зиму. Отрывок из бестселлера The New York Times Как животные и растения переживают зиму. Отрывок из бестселлера The New York Times

Зима. Секреты выживания растений и животных в самое суровое время года

СНОБ
Что значат названия государств Северной и Центральной Америки Что значат названия государств Северной и Центральной Америки

Почему Канада называется Канадой, Куба — Кубой, а Гондурас — Гондурасом?

Вокруг света
Топ-5 книг для летнего чтения Топ-5 книг для летнего чтения

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

Maxim
Ген перемен Ген перемен

Как биотехнологии преобразуют мир и кто за это заплатит

РБК
9 невероятных случаев из истории Олимпийских игр 9 невероятных случаев из истории Олимпийских игр

Cамые курьезные моменты Олимпийских игр

РБК
Дина Саева: «Хочу стать мировой звездой» Дина Саева: «Хочу стать мировой звездой»

Дина Саева — о приоритетах в жизни, равнодушии к деньгам, отношении к негативу

ЖАРА Magazine
Аргентинский «отец ящериц» пролил свет на эволюцию чешуйчатых и клювоголовых Аргентинский «отец ящериц» пролил свет на эволюцию чешуйчатых и клювоголовых

Палеонтологи обнаружили череп представителя лепидозавров

N+1
«Почему я не могу быть с той, кого люблю»: признание мужчины «Почему я не могу быть с той, кого люблю»: признание мужчины

Обсуждение чувств — не самая сильная сторона многих мужчин

Psychologies
Открыть в приложении