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
5 главных русских злодеев из американских фильмов 5 главных русских злодеев из американских фильмов

Американцы составили рейтинг «страшных русских», которые были показаны в кино

Maxim
Цветы, сокрытые в тени Цветы, сокрытые в тени

Растение, похожее на ниндзя — кислица

Наука и жизнь
Вредные витамины: почему мы купились на идею, что нам всем нужны БАДы Вредные витамины: почему мы купились на идею, что нам всем нужны БАДы

Отрывок из книги Тима Спектора. Миф о безусловной пользе витаминов

Inc.
Дрессировка кошек Шрёдингера в промышленных масштабах Дрессировка кошек Шрёдингера в промышленных масштабах

Явление сверхпроводимости было открыто больше ста лет назад

Наука и жизнь
Окно во двор: мини-гид по российской стрит-фотографии Окно во двор: мини-гид по российской стрит-фотографии

Кто в России представляет стрит-фотографию

Esquire
«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
Из домохозяйки в бизнес-леди Из домохозяйки в бизнес-леди

Для тех, кто засиделся дома и мечтает начать свое дело

Лиза
На границе двух миров На границе двух миров

Порой они кажутся стражами, охраняющими прибрежную полоску песка

Наука и жизнь
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
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
4 научно доказанных способа увеличить фазу быстрого сна (и лучше выспаться) 4 научно доказанных способа увеличить фазу быстрого сна (и лучше выспаться)

Как чувствовать себя на следующий день на все сто?

Playboy
Уроки на экваторе Уроки на экваторе

Месяц в деревне в Кении глазами волонтера-учительницы из России

Вокруг света
«Восседает на троне»: как Меган Маркл кардинально изменилась к 40 годам «Восседает на троне»: как Меган Маркл кардинально изменилась к 40 годам

Меган Маркл смогла превратить в реальность все свои самые смелые желания

Cosmopolitan
Инвентаризация ценностей князя Юсупова Инвентаризация ценностей князя Юсупова

Князья Юсуповы были богатейшей семьёй России

Дилетант
Да будет свет! 14 удивительных физических свойств света Да будет свет! 14 удивительных физических свойств света

Физические свойства света

Вокруг света
Жизнь в кислотных облаках Жизнь в кислотных облаках

Как могла бы выглядеть венерианская жизнь?

Наука и жизнь
Инфографика: карточный блеф Инфографика: карточный блеф

Привычная для нас карта мира — лишь условная схема

Вокруг света
Земля. Прятки под мантией Земля. Прятки под мантией

Ядро Земли перестало вращаться, электромагнитное поле нашей планеты разрушается

Наука и жизнь
Айс айс бэйби Айс айс бэйби

В семье Евгения Плющенко и Яны Рудковской пополнение — сын Арсений

GQ
Двери сознания Двери сознания

Где прячется человеческое «я»

Вокруг света
Как Афганистан пал в руки Талибов и что это значит для России и мира Как Афганистан пал в руки Талибов и что это значит для России и мира

Талибы вошли в Афганистан: что это значит для мировой политики?

Esquire
Пробуждение жизни Пробуждение жизни

Как Валерия Володина стала героиней настоящего триллера

Vogue
«История смерти. Как мы боремся и принимаем» «История смерти. Как мы боремся и принимаем»

Как с течением времени менялось отношение человека к неизбежному концу

N+1
Как выглядят дочери красавиц-брюнеток Голливуда: Джоли, Беллуччи, Хайек и других Как выглядят дочери красавиц-брюнеток Голливуда: Джоли, Беллуччи, Хайек и других

Звездные мамочки с роковой внешностью вписали свои имена в историю кинематографа

Cosmopolitan
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
Где можно работать студенту без опыта: 13 вариантов добычи денег во время учебы Где можно работать студенту без опыта: 13 вариантов добычи денег во время учебы

Оптимальные способы подработки для студентов университетов и институтов

Playboy
Чему производители электромобилей могут поучиться у китайцев Чему производители электромобилей могут поучиться у китайцев

Рынок электромобилей постепенно расширяется

Популярная механика
6 книг для геймеров, программистов и любителей комиксов 6 книг для геймеров, программистов и любителей комиксов

Возможность взглянуть на процесс создания игр изнутри

Популярная механика
Повелительницы времени: женщины, которые выглядят гораздо моложе своих лет Повелительницы времени: женщины, которые выглядят гораздо моложе своих лет

Они не стесняются говорить о возрасте, ведь никто не поверит в эти цифры

Cosmopolitan
Открыть в приложении