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

Красного прилива цвет Красного прилива цвет

О красных приливах бродит по миру множество слухов

Наука и жизнь
Тело-машина: как тренировался Киану Ривз во время съемок “Джона Уика” Тело-машина: как тренировался Киану Ривз во время съемок “Джона Уика”

Какую фитнес-программу подготовил тренер Патрик Мерфи для Киану Ривза

Esquire
Терруар: зазеркалье Терруар: зазеркалье

Российское виноделие переживает второе рождение

Вокруг света
Баграт Алекян: «После 45 лет нужно обязательно контролировать состояние своего сердца и сосудов» Баграт Алекян: «После 45 лет нужно обязательно контролировать состояние своего сердца и сосудов»

Можно ли избежать инфаркта и инсульта?

Здоровье
На границе двух миров На границе двух миров

Порой они кажутся стражами, охраняющими прибрежную полоску песка

Наука и жизнь
Банный день Банный день

Строим традиционную русскую баню на дачном участке

Лиза
«Хрустально-ясное творчество» «Хрустально-ясное творчество»

Какая удочка была для Сергея Тимофеевича Аксакова особенно дорога?

Наука и жизнь
7 независимых музыкантов из России, которых вы могли не слышать. И зря 7 независимых музыкантов из России, которых вы могли не слышать. И зря

Наиболее интересные и яркие артисты из лайнапа Moscow Music Week

СНОБ
«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
«Ненависть» Матье Кассовица. Чистый адреналин приходит в российские кинотеатры в 4К «Ненависть» Матье Кассовица. Чистый адреналин приходит в российские кинотеатры в 4К

Культовая картина Матье Кассовица «Ненависть»

СНОБ
Уроки на экваторе Уроки на экваторе

Месяц в деревне в Кении глазами волонтера-учительницы из России

Вокруг света
Анна Семенович: «Главное, чему меня научила психология, — это прощение» Анна Семенович: «Главное, чему меня научила психология, — это прощение»

О своем пути к внутренней гармонии рассказывает певица Анна Семенович

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
Массовое заражение волнами: как москвичи подсели на вейксерфинг в пандемию и кто на этом зарабатывает Массовое заражение волнами: как москвичи подсели на вейксерфинг в пандемию и кто на этом зарабатывает

Как в России зародились вейксерф-клубы и за счет чего они расцвели

Forbes
Александр: из эллина в азиата Александр: из эллина в азиата

Выдающийся полководец превратился из «первого среди равных» в азиатского деспота

Дилетант
Козерогам — симпл-димпл, Девам — медитация. Как знакам зодиака снять стресс Козерогам — симпл-димпл, Девам — медитация. Как знакам зодиака снять стресс

Антистресс-игрушки современности и традиционные методы снятия напряжения

Cosmopolitan
Жуки-навозники: 70 миллионов лет эволюции Жуки-навозники: 70 миллионов лет эволюции

Деятельность жуков-навозников имеет воистину планетарное значение

Наука и жизнь
Капибары: последние из гигантов Капибары: последние из гигантов

Капибара — единственный представитель южноамериканской ветви гигантских грызунов

Вокруг света
Битва брони и снаряда Битва брони и снаряда

22 июля 1861 года в списки Балтийского флота было зачислено судно «Опыт»

Вокруг света
Эффект снежного кома: можно ли предсказать хиты и бестселлеры Эффект снежного кома: можно ли предсказать хиты и бестселлеры

Отрывок из книги «Скрытые мотивы. Истинные причины нашего поведения»

Forbes
Книжная Маргарита Книжная Маргарита

Александр Дюма — мастер жонглирования событиями прошлых лет

Дилетант
И вечный бой И вечный бой

Оттираем тяжелые пятна – быстро, легко и без следа

Лиза
Вторсырье примут в электронном виде Вторсырье примут в электронном виде

Служба управления отходами Ubirator запустила собственную ERP-систему

Inc.
До следующего лета: 11 закоренелых мифов о здоровом питании До следующего лета: 11 закоренелых мифов о здоровом питании

Мифы о здоровом питании

Вокруг света
15 вещей, которые нужно знать об Афганистане, который опять пошел ко всем чертям 15 вещей, которые нужно знать об Афганистане, который опять пошел ко всем чертям

Откуда у Талибана ноги растут?

Maxim
Чего категорически нельзя делать при обнаружении седины, а что - обязательно Чего категорически нельзя делать при обнаружении седины, а что - обязательно

Рано или поздно каждая из нас столкнется с серебристыми нитями в волосах

Cosmopolitan
Денег нет и не будет? Денег нет и не будет?

Какие ошибки восприятия действительности мешают нам увеличить свой доход

Лиза
Дутая сенсация: кто и зачем строит дирижабли в XXI веке Дутая сенсация: кто и зачем строит дирижабли в XXI веке

Дирижабли возвращаются!

Maxim
Это фантастика: как разработчик крошечных роботов-хирургов собирается выйти на доход в $1 млрд Это фантастика: как разработчик крошечных роботов-хирургов собирается выйти на доход в $1 млрд

Как Vicarious собирается покорить рынок хирургической техники?

Forbes
Боль в пояснице и сильная слабость: опасный рак встречается все чаще и чаще Боль в пояснице и сильная слабость: опасный рак встречается все чаще и чаще

Что такое рак почки и почему он стал лидером по приросту заболеваемости?

Cosmopolitan
Открыть в приложении