Биоэлектричество и электром
“Полное понимание жизни придет только после установления ее вычислительных механизмов”.
В ходе столетних споров о существовании нервных импульсов и об их природе скептики имели немало оснований сомневаться, что в нервной системе животных протекает настоящее электричество. Изучение необычных способностей электрических рыб и угрей позволило найти источник их электричества: гигантский орган, специализирующийся на накоплении электрического заряда для его выброса в одном мощном парализующем ударе. Но ни один анатом пока так и не обнаружил ничего подобного в человеческом теле. А если такого источника тока нет, то что же посылает электрический сигнал по нервам? В результате возникло стойкое подозрение, что электричество – лишь неловкая метафора для какого-то загадочного механизма проведения нервного сигнала.
Ситуация изменилась в последние годы XX века, когда такой источник был найден[99]. Новые технологии, способствовавшие этому открытию, привели к радикальным изменениям в таких дисциплинах, как электрофизиология и нейробиология. Далее последовали достижения столь значительные и многочисленные, что историки науки Марко Брезадола и Марко Пикколино сравнивают их с тем, что происходило “в квантовой механике во времена Макса Планка”[100].
Глава 3Электром и биоэлектрический код: как понять электрический язык тела
В конце XIX века, после тысячелетнего пребывания в эфирной сфере философских рассуждений, животный дух был перенесен на твердую почву научного метода. Александр фон Гумбольдт, Эмиль Дюбуа-Реймон и Герман фон Гельмгольц отстояли дело, которому посвятил свою жизнь Гальвани. Что за животный дух бежит по нашим нервам, оживляя каждое наше движение и ощущение? Это электричество.
Но эти ученые не могли себе представить, что их важнейшие инструменты и открытия будут развиваться еще полтора следующих столетия. Сегодня наше понимание биоэлектричества изменяется вновь, поскольку мы начинаем постигать суть электрома[101].
Понятие электрома выходит за пределы биоэлектрических сигналов, обнаруженных Гальвани и Дюбуа-Реймоном. Благодаря этим сигналам нервная система позволяет нам чувствовать и перемещаться в пространстве; на сегодняшний день эти сигналы уже хорошо изучены в результате обширного корпуса исследований, сформировавших современную нейробиологию. Но за последние двадцать лет начала вырисовываться иная картина, которая все более отчетливо демонстрирует наличие важнейших биоэлектрических сигналов за пределами нервной системы и их важную роль в функционировании других систем тела. Как геном описывает весь генетический материал организма (ДНК с записями “инструкций” для построения тела, основания A, C, T и G для составления кода этих инструкций, а также другие элементы, контролирующие активность генов), так полное описание нашего электрома может отразить все глубинные пути, с помощью которых различные электрические сигналы определяют наши биологические функции.
Карта электрома представляла бы собой уникальную электрическую схему, описывающую буквально все аспекты нашей жизни и смерти. В ней должны учитываться характеристики и размерность наших электрических свойств на уровне органов, клеток и мельчайших компонентов клеток, таких как митохондрии, и даже поведение электрических молекул.
Как было описано в первой части книги, самые ранние сведения об электроме мы получили благодаря активности наших мышц и нервов. Животный дух превратился в нервную проводимость, и в результате ее изучения сформировалась такая научная дисциплина, как неврология. В 1960-е годы результаты исследований в области неврологии (а также в области электрофизиологии, объединившей исследования электриков XVIII века с теоретическими исследованиями физиологов) сложились в формальную дисциплину, которую мы сегодня называем нейробиологией и которая занимается изучением нервной системы животных.
В XX веке были достигнуты громадные успехи в раскрытии закономерностей электрической активности нервной системы. Мы начали понимать код, позволяющий передавать информацию в мозг и из мозга. Как мы увидим в нескольких последующих главах, почти все эти открытия были сделаны благодаря исследованиям нервной системы с помощью металлического электричества. И это помогло понять, что искусственное электричество может – с разной степенью успешности – изменять наше собственное биоэлектричество и, следовательно, наше здоровье, мысли и поведение. Само по себе это уже очень значительное достижение, но к концу столетия мы осознали, что это лишь начало.
Но прежде чем двигаться дальше, нам нужно определить некоторые фундаментальные положения нейробиологии, чтобы ясно понимать, как работает нервная система и почему ученые так активно пытались изучать ее с помощью искусственного электричества. Об этом рассказывает данная глава. Я приглашаю вас отправиться со мной в краткое путешествие в 150-летнюю историю электрофизиологии.
Нервная проводимость для чайников
Понять механизм передачи электрических сигналов внутри тела намного проще, если знать структуру головного мозга, спинного мозга и специализированных клеток, обеспечивающих их коммуникацию. Эти клетки называют нервными клетками, или нейронами. Все эти данные были получены в результате потрясающих открытий, сформировавших так называемую “нейронную доктрину”, за установление которой Камилло Гольджи и Сантьяго Рамон-и-Кахаль были удостоены Нобелевской премии в 1906 году. Тогда впервые стало понятно, как именно работает нервная система. До тех пор, как следует из рассказа о животном духе, считалось, что нервная система представляет собой единую сеть трубочек, протянутых от мозга по всему телу, которые могли быть заполнены водой или гидравлической жидкостью – и именно поэтому все остальные рассуждения фактически не имели смысла.
Рамон-и-Кахаль и Гольджи поняли (опять-таки в результате долгих разногласий и пререканий), что нервная система состоит из особых, специфических клеток, названных нейронами, которые могут проводить электрические сигналы от мозга к мышцам и обратно.
До тех пор никто не мог себе представить, что нервная система состоит из клеток, потому что нервные клетки не похожи на обычные. Большинство клеток имеют сферическую и немного приплюснутую форму. Но только не нейроны. У нейрона есть три четко различимые части. У него есть тело (и это тело действительно похоже на обычную клетку), но из него во все стороны отходят отростки разной длины. Эти отростки бывают двух типов. Первый тип – дендриты: очень короткие выросты, доставляющие информацию к телу нейрона. Второй тип – аксоны: они могут достигать метра в длину, и их функция заключается в том, чтобы отправлять сообщения другим нейронам или мышцам.
Некоторые из 86 миллиардов нейронов мозга находятся только в мозге, но многие простирают свои отростки в спинной мозг, в кожу, сердце, глаза, уши, нос, рот, внутренние органы, кишечник – иными словами, во все без исключения участки тела, чтобы заставить их двигаться, чувствовать и выполнять разные другие функции.
Чувствующие нейроны, приносящие ощущения и восприятие в мозг, являются частью афферентной системы, сообщающей нам новости об окружающем мире: об изображениях, звуках, запахах, царапинах и ударах, достающихся нашему телу. Их также называют сенсорными нейронами. Двигательные нейроны, сообщающие о наших намерениях различным частям тела, являются элементом эфферентной системы, позволяющей нам реагировать на сигналы, переданные афферентной системой.
Вне зависимости от того, идет ли речь об ощущениях или движениях, соответствующие нейроны переносят информацию в мозг и из мозга за счет электричества – посредством потенциала действия. Именно это легкое отклонение стрелки прибора Дюбуа-Реймон назвал током действия, или нервным импульсом. Термины “нервный импульс”, “потенциал действия” или “спайк” – еще один термин, который вы тоже могли слышать, – обозначают одно и то же: слабый электрический сигнал, переносящий информацию между двумя соседними нервными клетками в мозге или между нервом и мышцей[102]. Получая сообщение, дендрит передает его в тело клетки, где принимается решение о том, следует ли передавать этот сигнал аксону. Если сообщение передается дальше, оно достигает окончания аксона, откуда перескакивает на дендрит соседней клетки. Почти с того самого момента, когда Дюбуа-Реймон и Гельмгольц начали измерять нервные импульсы, люди начали спорить о том, какова природа этих импульсов – химическая она или электрическая. Но когда выяснилось, как сигнал перескакивает с одной клетки на другую, споры едва не переросли в целую войну.
Дело в том, что на конце аксона сигнал вынужден немного затормозить. Здесь имеется крохотный зазор, отделяющий аксон одной клетки от дендрита другой клетки. Этот зазор называется синапсом: его окрестили так в том же году, когда “нейронная доктрина” принесла Нобелевскую своим авторам. Открытие этого промежутка между клетками, которые, как считалось, проводят электрический сигнал, возродило множество сомнений относительно реальности животного электричества и электрической природы нервного импульса. Ведь не может электрический сигнал передаваться через зазор между телеграфными проводами, так как же он может это делать в нервной системе?
В 1921 году были обнаружены химические молекулы, названные нейромедиаторами, которые переплывают через синаптическую щель, и это только усугубило сомнения. Вопрос о природе нервного сигнала очень быстро привел к разногласиям между противостоящими группировками ученых: одни были сторонниками идеи “супа” (химической проводимости), другие – сторонниками идеи “искры” (электрической проводимости)[103]. Этакая “Вестсайдская история” в науке.
В конечном итоге после жестокого сопротивления сторонников идеи “супа” сторонники электрической проводимости одержали верх. Завоевали эту победу два физиолога из Университета Кембриджа – Алан Ходжкин и Эндрю Хаксли, чьи имена, возможно, вызывают легкое шевеление в глубине вашего мозга, конкретно в той его части, которая отвечала за усвоение школьного материала. Они прочно вошли в историю науки тем, что доказали ключевую роль электричества в проведении нервного импульса. Оно положило конец разногласиям между сторонниками идей “супа” и “искры” в 1950-е годы. Их эксперименты впервые показали в мельчайших подробностях, как именно потенциал действия переносится по нейрону с помощью заряженных частиц, без электрических свойств и активности которых ничего бы не происходило.
Эти частицы называют ионами. Ионы – это атомы, несущие положительный или отрицательный заряд. Их полным-полно в жидкой среде, омывающей все клетки нашего тела (этих клеток очень много, и именно поэтому нам все время твердят, что наше тело на 60 % состоит из воды). Ионы, растворенные в так называемой межклеточной жидкости, очень похожи на компоненты морской воды: главным образом это ионы натрия и калия, а также небольшое количество ионов других веществ, таких как кальций, магний и хлор. Точное соотношение их концентраций внутри каждого нейрона и в окружающей его среде является решающим условием для возможности передачи электрического сигнала.
Ионами эти частицы назвал Майкл Фарадей, поскольку они постоянно движутся, как будто по собственной воле[104]. Между прочим, Фарадей обнаружил движение ионов благодаря батарейке Вольты. В 1814 году Вольта передал ему один из своих первых прототипов[105], с помощью которого Фарадей установил принципы действия электрического мотора и индукции, а также унифицировал законы электричества. Но для нашего рассказа гораздо важнее то, что батарейка помогла ему обнаружить существование ионов. Фарадей экспериментировал с разными химическими соединениями: он помещал их в воду, подавал электрический ток и наблюдал за происходящим. Химические соединения состоят из двух или нескольких разнородных элементов и под действием электрического тока разделяются на эти элементы, как будто кекс разделяется на составляющие компоненты – сахар и муку. Если воспользоваться этим сравнением, можно сказать, что под действием тока частицы “сахара” выделяются из смеси и движутся в сторону одного электрода, пропускающего ток через воду. А частицы “муки” собираются у другого электрода[106]. Фарадей не знал, что это означает. Что протекает через воду и накапливается на электродах? В 1834 году он окрестил эти загадочные частицы ионами, и на протяжении последующих пятидесяти лет о них больше не узнали практически ничего нового.
Затем, в 1880-е годы, шведский ученый Сванте Аррениус понял, что ионы движутся под действием электрических сил, что понятно, поскольку ионы – не нейтральные атомы, а имеют положительный или отрицательный заряд. И это объясняет, почему они движутся в растворе словно по собственной воле. На самом деле это совсем не так. Просто положительно заряженные ионы притягиваются к отрицательному полюсу батарейки, а отрицательно заряженные – к положительному. Наконец-то наблюдениям Фарадея было дано простое объяснение.
Данное свойство реализуется во всех растворах, включая биологический суп, омывающий изнутри и снаружи все клетки во всех биологических тканях. Ионы поддерживают в нас жизнь. Если вам когда-нибудь ставили капельницу, вам следует благодарить за эту технологию именно ионы, а также физиолога XIX века Сиднея Рингера, который подобрал точный состав раствора натрия, калия и других электролитов, который заполняет сосуды, имитируя межклеточную жидкость. Кроме того, этот раствор позволяет поддерживать жизнедеятельность органов, извлеченных из тела. Рингер поставил первый эксперимент на сердце лягушки, которое в этом новом “физиологическом растворе” продолжало нормально биться на протяжении нескольких часов без участия самой лягушки[107]. Поначалу раствор так и называли раствором Рингера, и он оказал чрезвычайно важное влияние на развитие биологии.
Почему ионы так важны? Что в них такого особенного, что мы не можем без них жить? К концу XX века постепенно сложилось общее мнение, согласно которому ионы стали считать главными действующими элементами в электрической передаче нервных импульсов.
С появлением “нейронной доктрины” мы узнали следующее. Во-первых, биохимики установили, что положительно заряженные ионы, например ионы натрия, и отрицательно заряженные ионы, например ионы хлора, при передвижении всегда переносят с собой свой заряд. Во-вторых, благодаря таким людям, как Рингер, стало ясно, что ионы заполняют пространство внутри наших клеток и во внеклеточной среде. Наконец, в-третьих, мы поняли, что потенциал действия создает электрический ток достаточной силы, чтобы отклонять стрелку гальванометра при прохождении сигнала по нервным клеткам. Все это вкупе доказывало, что по нервам и мышцам перемещаются электрические заряды. Но, как и в XVIII веке, когда у нас имелся лишь набор разрозненных наблюдений о животном электричестве без объединяющей их теории, так и здесь у нас все еще не было способа осмыслить все эти отдельные факты об ионах и нервной системе. По крайней мере до 1940-х годов, когда в серии экспериментов было показано, как именно ионы исполняют главную роль в электрической передаче нервного импульса.
Алан Ходжкин и Эндрю Хаксли понимали: если они смогут продемонстрировать, что концентрации ионов внутри нервной клетки и снаружи изменяются по-разному при прохождении потенциала действия, они раз и навсегда докажут, что в основе зарождения биоэлектрических сигналов лежит электричество, что оно является причиной, а не отражением каких-то химических процессов[108]. И вновь под нож легли лягушки, но их нервы оказались слишком тонкими, чтобы исследовать содержание ионов в их мембранах с помощью какого-либо имевшегося на тот момент инструмента. Ходжкин и Хаксли попробовали работать с крабами. Но нервы крабов тоже оказались слишком тонкими. Наконец, они нашли существо с достаточно крупными нервными клетками, чтобы подключить к ним электрод: это был кальмар.
Аксон кальмара невероятно толстый (несколько миллиметров в диаметре[109], что в тысячу раз превышает толщину человеческого нерва – за это его и называют “гигантским аксоном”), поскольку он должен мгновенно посылать команды мозга через все массивное тело кальмара[110]. И это давало Ходжкину и Хаксли возможность встроить измерительное устройство для регистрации электрических свойств клетки. Они хотели знать, как эти свойства меняются при возбуждении нерва и как в ответ изменяется концентрация ионов внутри клетки и снаружи. Они придумали, как ввести один электрод внутрь клетки, а другой пристроить снаружи, и в результате впервые смогли измерить разницу зарядов во внутриклеточном и внеклеточном пространстве. И эта разница оказалась весьма значительной: в состоянии покоя, когда нерв не возбуждался, напряжение на внешней поверхности клетки было на 70 милливольт выше, чем внутри.
Эту величину называют мембранным потенциалом клетки. Она отражает разницу между количеством заряженных частиц внутри клетки и снаружи. Вы ведь помните, что ионы – это положительно или отрицательно заряженные атомы? Это означает, что при перемещении этих атомов их заряд перемещается вместе с ними. Например, ион натрия несет заряд +1. И калия тоже. А ион хлора несет заряд –1, и мне он кажется стыдливым и скромным. Модный кальций гордится зарядом +2. За пределами нейронов смесь этих ионов с их зарядами распределяется в свободном пространстве внеклеточной жидкости. Из-за ограниченности пространства внутри каждого конкретного нейрона содержится менее значительная популяция ионов, и суммарный заряд внутри клеток оказывается ниже, чем снаружи. Вот почему существует разница в 70 милливольт между внутренним пространством каждого нейрона и внешним пространством, и именно такой показатель нравится нейрону[111]. По этой причине это значение называют потенциалом покоя. Это начальная точка для действия нейрона, в которой он не растрачивает свою энергию.
Но, как обнаружили Ходжкин и Хаксли, ситуация сильно меняется при прохождении потенциала действия. Разница зарядов внутри клетки и снаружи быстро нивелируется, становясь все менее и менее заметной, пока не исчезает полностью (а затем потенциал оказывается ниже нуля, и на какое-то время внутриклеточное пространство приобретает положительный заряд по сравнению с внеклеточным супом). Но по завершении процесса мембранный потенциал всегда возвращается к своему комфортному показателю в 70 милливольт.
Однако Ходжкин и Хаксли заметили, что во время этой электрической суматохи разные ионы ведут себя совершенно по-разному. При потенциале покоя внутри клетки содержится много ионов калия. Но при прохождении потенциала действия в клетку проникают ионы натрия, выталкивая большую волну ионов калия наружу. Возвращение клетки к счастливому состоянию покоя сопровождается возвращением ионов калия. Это явление каскадом прокатывается вдоль всего нерва, перенося волну нервного импульса. Именно так Ходжкин и Хаксли наконец доказали, что потенциал действия совершенно очевидно создается за счет изменения концентрации ионов[112]. Ионы калия и натрия каким-то образом отвечают за передачу сигнала по аксону: электрический заряд передается за счет четко отрегулированной хореографии прибытия и отхода этих ионов.
В этом и заключается разгадка секрета раствора Рингера. Эта ценная смесь ионов поддерживает жизнь в теле по той причине, что позволяет передавать нервные импульсы по нервам. Без ионов передача нервных сигналов невозможна. Без них мы не можем вдыхать и выдыхать воздух, не можем глотать, и наше сердце не способно биться.
В 1952 году Ходжкин и Хаксли опубликовали результаты многолетней работы, в которой показали, как ионы калия и натрия меняются местами в клетке, внося и унося свои электрические заряды и создавая при этом потенциал действия. За установление механизма потенциала действия они были удостоены Нобелевской премии, но для Ходжкина настоящий триумф заключался в том, что была доказана роль электричества в качестве движущей силы нервного импульса, а не побочного эффекта. Как он сказал в своей речи при получении Нобелевской премии в 1963 году, “потенциал действия – это не просто электрический признак импульса, но причина его распространения”.
Это чрезвычайно важное открытие, и оно должно было стимулировать ряд новых исследований по анализу информации, которую переносят ионы (так оно и было какое-то время: в одном исследовании сообщалось, что в океанских водах вблизи крупных исследовательских центров исчезли кальмары). Однако этот всплеск интереса был кратковременным. Только животное электричество вновь вышло на научную сцену, как небо над ним тут же заволокло тучами. Вскоре после открытия механизма передачи нервного импульса Ходжкином и Хаксли внимание общественности привлекли два других молодых исследователя, получившие, казалось бы, гораздо более важный результат: они установили структуру двойной спирали. В 1953 году Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик объявили об открытии структуры ДНК (при участии Розалин Франклин). “Есть только молекулы. Остальное – это социология”, – заявил Уотсон[113], и значение биоэлектричества в очередной раз было подавлено другим, более “крупным” открытием, как это уже произошло во времена Гальвани.
Ходжкин и Хаксли показали, что потенциал действия принципиальным образом зависит от удержания клеткой калия и удаления натрия. Но кроме чарующего влияния ДНК была и более важная причина, по которой открытый ими путь исследований не привел к исследованиям на человеке. Она заключается в отсутствии достаточно тонких инструментов, позволяющих изучить все углы и закоулки, в которых следовало бы проанализировать поступление ионов в клетки и их удаление из клеток, а также установить механизмы этих процессов. И в результате важные вопросы так и остались без ответа.
Старинная теория, восходящая еще к временам Дюбуа-Реймона, гласила, что клеточная мембрана очень часто растворяется, становясь проницаемой для ионов, как раздвижной занавес[114]. Однако эта теория была не очень правдоподобной и стала еще менее правдоподобной после открытий Ходжкина и Хаксли. Обнаружив, как ионы калия и натрия меняются местами, Ходжкин понял, что мембрана не просто раздвигается, как занавес. Она активным образом выбирает, что впускать внутрь, а что выпускать наружу. Но какой механизм управляет этим процессом? Есть ли у нейронов специфические поры для специфических ионов?
Как нервная клетка узнает, что нужно избавиться от ионов натрия, не трогая ионы калия? Дополнительная сложность заключается в том, что ион калия примерно на 16 % крупнее иона натрия, так что вопрос о том, как клетке удается мгновенно избавляться от всех ионов калия и впускать ионы натрия, оставался нераскрытой тайной.
В результате многолетних исследований Ходжкин и Хаксли сформулировали теорию о том, что ионы входят в клетку и выходят из нее через крохотные поры, пронизывающие мембрану, как дырочки в сите: может быть, какие-то из этих пор предпочитали ионы натрия, а какие-то – калия? Ученые начали рассуждать об этой динамике и строить разные теории, не давая названия этим порам, пока их не окрестили ионными каналами.
Ионный человек
Что же такое ионный канал? В 1960-е годы ученые начали подозревать, что эти поры на самом деле представляют собой туннели, образованные мембранными белками. Но дальше никто не продвинулся, пока в начале 1970-х годов этим вопросом не занялись физик Эрвин Неэр и физиолог Берт Закман из Института биофизической химии Макса Планка в Геттингене, в Западной Германии. Они рассудили, что, если эти крохотные поры действительно существуют, можно зафиксировать слабые токи, возникающие при прохождении через них ионов. Но поскольку эти токи в сотню тысяч миллионов раз слабее тока, от которого работает наш кухонный тостер, для их регистрации требовалось оборудование гораздо более чувствительное, чем что-либо созданное ранее.
Поэтому Неэр и Закман сконструировали новое устройство, которое могло отделять небольшой участок нейрона, содержащий лишь несколько таких гипотетических пор или вовсе лишь одну. Ионы и поры слишком малы, чтобы их можно было увидеть с помощью инструментов того времени, но, когда Неэр и Закман смогли зарегистрировать слабенький ток, протекающий через единственную ионную пору в мембране живой клетки, они доказали само существование этих пор. Они действительно существовали.
Более того, эти двое ученых установили, как функционируют эти поры. Форма электрических импульсов показывала, что поры могут существовать в одном из двух состояний: они либо полностью открыты, либо полностью закрыты. Они не могут быть открыты наполовину[115]. А уж если они открыты, они открыты по полной. Ионы калия и натрия проходят через одну открытую ионную пору со скоростью от 10 000 до 100 000 ионов за миллисекунду. Это огромное количество единичных зарядов.
Через несколько лет Уильям Эгнью и его исследовательская группа в Калифорнийском технологическом институте (Калтехе) окончательно установили структуру натриевого канала: это не просто дырочка в сите, это белок[116]. И с этого момента молекулярная биология превратилась из конкурента и врага биоэлектричества в его лучшего друга. Дело в том, что открытие структуры ДНК Уотсоном и Криком дало ученым возможность читать генетический код любого белка, а если белок можно выделить и секвенировать, значит, его можно клонировать. А это, в свою очередь, позволяет всерьез заняться изучением ионных каналов. Появилась возможность создавать клетки, в которых все поры будут закрыты или, наоборот, открыты, и анализировать, как это будет сказываться на организме.
В 1986 году Масахару Нода впервые клонировал белок потенциал-зависимого натриевого канала (такие натриевые каналы открываются, если на поверхности мембраны вокруг них происходит изменение напряжения)[117]. Ученые принялись синтезировать белки разной формы и клонировать клетки с разным видом и количеством ионных каналов[118]. Стало возможным создавать клетки вообще без каналов какого-то конкретного типа. При желании стало можно создавать клетки со специфическими “дизайнерскими” каналами “франкенштейновского” типа и смотреть, что при этом будет происходить. Подобные исследования вскоре позволили получить полный перечень всех ионных каналов: натриевых, кальциевых, хлорных и калиевых. Дело не в полупрозрачном занавесе: на деле именно эти белки решают, каким ионам разрешается проходить, в какой момент и в каком направлении.
Как белки принимают такие сложные решения? Эта загадка была решена биофизиком Родериком Маккинноном[119] в 1991 году (в том же году, когда Закман и Неэр были удостоены Нобелевской премии за прорыв в этой области исследований).
Для описания невероятно сложной системы, обнаруженной Маккинноном, использовались много сложных метафор. Мне нравится представлять себе ионные каналы в виде сит, просеивающих вещества в зависимости от их формы: знаете такую игрушку для маленьких детей, в которой нужно просовывать фигуры разной формы в деревянную коробку через прорези соответствующего размера? Одни фигуры округлые, другие треугольные, или квадратные, или в форме звезды. В квадратные прорези проходят только квадратные фигуры и т. д. Таким образом, хотя некоторые поры по каким-то геометрическим параметрам могут быть крупнее определенных ионов, они не позволят им пройти. Эти ионы несовместимы с какими-то параметрами каналов и поэтому не могут через них проходить (на самом деле ситуация чуть сложнее, поскольку прорези в этом варианте “детской игрушки” изменяют свою геометрию, чтобы пропускать те элементы, которые они предпочитают).
Когда Маккиннон завершил описание структуры клеточной мембраны, мы впервые поняли набор взаимосвязанных механизмов, лежащих в основе биологического электричества: как белки в мембране работают с ионами для создания потенциала действия и как все возвращается к исходному состоянию после прохождения потенциала действия. Узнав структуру ионных каналов, мы смогли окончательно понять суть потенциала действия.
Это очень похоже на пропуск в закрытый ночной клуб.
В клубе
Сразу скажу, что эта аналогия и близко не учитывает всего разнообразия ситуаций внутри клетки и на ее поверхности, а отражает только то, что происходит в точке возникновения напряжения. Но книга у нас, в конце концов, как раз о биоэлектричестве.
Итак, клетку можно сравнить с ночным клубом с чрезвычайно тщательно контролируемой пропускной системой. Ионы играют роль постоянных клиентов, а ионные каналы – роль вышибал на входе для VIP-клиентов. И вместе они осуществляют три этапа прохождения потенциала действия (моя смехотворная аналогия с ночным клубом опирается на превосходное объяснение из книги Фрэнсис Эшкрофт “Искра жизни”).
Спокойному состоянию, когда по нерву не распространяется потенциал действия, соответствует так называемый потенциал покоя. Это та самая разность напряжений в 70 милливольт, которую зафиксировали Ходжкин и Хаксли. В этом состоянии внутренняя среда клетки имеет более выраженный отрицательный заряд, чем внеклеточный суп.
Публика внутри нашего клуба в основном состоит из положительно заряженных ионов калия, теснящихся в крохотном пространстве в концентрации, в пятьдесят раз превышающей их концентрацию за стенами клуба. Снаружи на двери клуба напирают многочисленные желающие: главным образом ионы натрия, тоже обладающие положительным зарядом. Но, увы, большинство дверей для них закрыто. Управляющий клубом имеет выраженное предпочтение к представителям группы калия – действует жесткое правило “Натрию вход воспрещен”. Ионы натрия – совсем как мы – все больше и больше скапливаются у дверей, ожидая возможности проникнуть внутрь. Но руководство не дремлет. Если вышибала, имя которому – ионный насос, обнаруживает в клетке ион натрия, каким-то образом проникший внутрь, он немедленно его выдворяет и в назидание тут же впускает на его место три любых иона калия.
Но и ионы калия, в свою очередь, тоже похожи на нас. Они устают от пребывания в клубе и время от времени покидают его, оставляя после себя отрицательный заряд. Им путь ничто не преграждает.
Это тонкое и строго соблюдаемое “менеджментом” равновесие между отчаянной целеустремленностью ионов натрия и чопорностью ионов калия, а также некоторых других факторов удерживает потенциал покоя на клеточной мембране на уровне –70 милливольт (снаружи положительных ионов больше натрия, чем положительных ионов калия внутри, и поэтому внутренняя среда имеет отрицательный заряд по сравнению с внешней).
Неудивительно, что клеточный биолог Роберт Кемпенот сравнивал состояние нервной клетки до прохождения потенциала действия с пороховой бочкой с тлеющим фитилем. Нужен только повод. Любое небольшое изменение равновесия приведет к взрыву.
Но прежде, чем мы начнем об этом говорить, нужно сделать еще одно замечание. Двери с вышибалами, о которых я рассказывала до сих пор, – не единственные способы попасть в клуб. Есть еще пожарные выходы – потенциал-зависимые натриевые каналы. Они открываются, если чувствуют изменение тщательно поддерживаемого потенциала покоя. Если величина заряда за пределами клуба изменяется сильнее допустимого, в один момент высвобождается вся потенциальная энергия, удерживаемая в хрупком равновесном состоянии[120]. Иными словами, если толпа ионов натрия за пределами клуба становится чрезмерно буйной, она разрывает бархатную ленту у двери и самовольно врывается внутрь. И в клубе начинается паника.
Мембранный потенциал имеет очень значительную величину по отношению к размеру клетки. Толщина клеточной мембраны составляет около 10 нанометров, а напряжение на одной стороне отличается от напряжения на другой на 70 милливольт. Если бы эквивалентная разность потенциалов могла существовать в масштабах всего нашего тела, она составляла бы 10 миллионов вольт. То есть… много. Удар током, от которого у вас потемнеет в глазах и непроизвольно вырвутся непечатные слова, происходит под действием напряжения около 1000 вольт.
Таким образом, потенциал действия для наших друзей охранников – ионных каналов – является гораздо более сильным шоком. Двери пожарных выходов широко распахиваются. Ионы натрия пользуются всеобщим замешательством и бросаются внутрь, запуская цикл обратной связи: чем сильнее изменение мембранного потенциала, тем больше натриевых каналов открывается и тем больше ионов натрия проникает внутрь. А чем больше ионов натрия проникает внутрь, тем сильнее увеличивается положительный заряд, и открываются новые натриевые каналы. И так далее. За одно мгновение натрий берет всю клетку штурмом.
Теперь ранее закрытый клуб заполонен миллионами ионов натрия, которые теснят и толкают напуганные ионы калия, и напряжение внутри клетки может очень быстро стать на сотню милливольт больше, чем снаружи. Менее чем через миллисекунду после этого открываются калиевые каналы, через которые все ионы калия начинают в массовом порядке с отвращением покидать свой клуб.
Массовый исход ионов калия приводит к возвращению мембраны в состояние покоя. Однако теперь в клубе собрались “неправильные” посетители. Руководство оказывается не в силах вернуть убегающие ионы калия и вновь запирает ворота. Вышибалы начинают нехорошо похрустывать костяшками. Большинство ионов натрия покидают клетку по собственному желанию[121]. А вот для того, чтобы убедить ионы калия вернуться в разгромленный клуб, приходится приложить некоторые усилия. Однако в конечном итоге их все же удается вернуть. А затем снова запускается обратный отсчет до следующего подобного происшествия.
Изменение напряжения приводит к открытию и закрытию каналов[122]. Реагирующие на него натриевые и калиевые каналы регулируют генерацию потенциалов действия, которые позволяют передавать сигналы из одного конца нейрона в другой. Как выяснилось, тот же механизм регулирует высвобождение химических нейромедиаторов. На самом конце аксона, где заканчивается передача потенциала действия, функционируют другие вышибалы – потенциал-зависимые кальциевые каналы. При прибытии потенциала действия они открываются, и в окончание аксона врываются ионы кальция из соленого внеклеточного океана. Это приводит к высвобождению нейромедиаторов (серотонина, дофамина, окситоцина, о которых вы, вероятно, слышали), дрейфующих от окончания аксона к ближайшей точке входа в дендрит соседнего нейрона. Это запускает следующий потенциал действия, и последовательность событий повторяется заново. Все эти процессы, как химические, так и электрические, в конечном итоге контролируются напряжением на мембране, то есть ее электрическим статусом.
Такова история нервного импульса, ответственного за каждое наше ощущение, движение, каждую эмоцию и каждый удар сердца. Электричество – главная движущая сила этих реакций. Источник нашего с вами электричества – не специфический орган, как у электрического угря, а самовозобновляющийся механизм, функционирующий внутри самих клеток за счет точно скоординированного танца ионов при участии белков.
Базовый механизм в основе всех этих сложных процессов удивительно прост. Соберите больше заряженных ионов на одной стороне мембраны, чем на другой, – и получите разность напряжений. Измените напряжение – и произойдет выброс энергии. Примерно так работает батарейка: на двух ее сторонах находится разное количество зарядов. Теперь мы понимаем, что нервные и мышечные клетки – это крохотные перезаряжаемые батарейки.
Сорок триллионов батареек
Однако это не единственные клетки, которые действуют как батарейки. Когда появилась возможность детально исследовать ионные каналы с помощью методов молекулярной биологии, стало ясно, что ионные каналы (и ионы, которым они позволяют или не позволяют проходить) присутствуют и во всех других клетках тела. Это было неожиданностью: что они там делают? Зачем электричество всем остальным клеткам?
Со временем мы узнали ответ. В 1984 году физиолог и специалист по ионным каналам Фрэнсис Эшкрофт обнаружила, что поджелудочная железа, например, для передачи электрических сигналов использует специфические калиевые каналы, которые синхронизируют работу бета-клеток, секретирующих инсулин (электрический сигнал передается в десять раз быстрее химического, так что это единственный способ заставить многие клетки работать в унисон). Для координированной секреции инсулина работа этих ионных каналов должна быть идеально слаженной. В начале 2000-х годов Эшкрофт и Эндрю Хэттерсли обнаружили мутацию, при которой эти каналы остаются открытыми, что приводит к развитию одного из вариантов диабета.
Подобные результаты накапливались и вскоре трансформировали медицину. Возникла самостоятельная биомедицинская дисциплина – физика ионных каналов. Теперь у ученых появились инструменты и подходы для изучения механизмов, с помощью которых ионные каналы в мышечных и нервных клетках поддерживают большинство основных функций человеческого тела. И еще важнее – для изучения того, что происходит, когда они этого не делают. Самое же главное – в арсенале ученых появился новый инструмент для более тонких манипуляций с электричеством, который оказал самое значительное влияние на исследования в области биоэлектричества со времен изобретения батарейки.
Впервые идея о возможности управления электричеством в теле с помощью медикаментов зародилась благодаря изучению нейротоксинов. Исследования 1960-х годов показали, что большинство из этих природных ядов влияют на баланс натрия и калия, нарушая тонкие механизмы клеточной коммуникации: их действие как бы противоположно действию раствора Рингера[123]. Рыбу фугу нельзя есть (если только ее не приготовил специалист, хорошо знакомый со всеми тонкостями разделки) как раз по той причине, что в одном из участков ее тела содержится защитное вещество, называемое тетродотоксином. Даже минимальное количество этого вещества при попадании внутрь человеческого организма может очень быстро вызвать паралич мышц, ответственных буквально за все функции тела, включая мышцы легких, и человек задохнется. Точный механизм этого процесса был раскрыт благодаря углубившемуся в результате работы Неэра и Закмана пониманию функции ионных каналов: тетродотоксин препятствует проникновению в клетку ионов натрия[124]. Он сам внедряется в каналы, блокируя вход, а если нет притока натрия, то нет и оттока калия, и это препятствует каскадной реакции, обеспечивающей прохождение потенциала действия. Другие нейротоксины, напротив, способствуют открытию всех дверей, что в конечном итоге приводит к такому же результату: клетка не может передавать сигналы другим нервным или мышечным клеткам. Никакие клетки не могут существовать без функциональных ионных каналов.
Установив, как действуют природные нейротоксины (путем нарушения функции ионных каналов), ученые поняли, что могут сами создавать нейротоксины “на заказ”, чтобы заблокировать или распахнуть канал по своему выбору (Эшкрофт и Хэттерсли обнаружили лекарство, которое может закрывать неправильно действующий ионный канал и устранять редкую форму диабета). С этого началась история медикаментов для исправления функции ионных каналов.
Лекарства, действующие на ионные каналы, являются одной из основ современной медицины. Их применяют при укусах некоторых видов змей для усиления сообщения между нервами и мышцами. Их назначают при нарушениях сердечного ритма. Теперь исследователи изучают целый спектр моторных расстройств, эпилепсий и мигреней, а также некоторых редких наследственных заболеваний в поисках возможных мутаций ионных каналов[125]. Физика ионных каналов революционизировала наше понимание болезней и нарушений, а также подходы к их устранению. “Трудно преувеличить степень нашего непонимания механизма потенциала действия в клетках сердца до того, как мы узнали о кальциевых каналах”, – писал один специалист в области электрофизиологии сердца[126].
Ионные каналы – важные мишени для действия лекарств, но мы еще не до конца изучили механизм их действия. Мы продолжаем находить новые и неожиданные их вариации. Один из них – щелевой контакт – впервые был обнаружен в сердце, но теперь мы понимаем, что такие каналы, по-видимому, есть в каждой из триллионов наших клеток. Щелевой контакт – это специфический ионный канал между двумя соседними клетками, создающий между ними незаметный проход, как в совмещенных гостиничных номерах. Щелевые контакты позволяют синхронизировать активность клеток сердца, которые должны действовать сообща, но они также соединяют мембраны клеток кожи и костей и существуют даже в клетках крови. Они есть повсюду. Все эти клетки сообщаются между собой с помощью таких электрических синапсов. Но зачем же?
Впрочем, новые ионные каналы – не единственная неожиданность. Еще одно недавнее наблюдение заключается в том, что здоровые клетки при превращении в раковые начинают испускать специфические электрические сигналы[127]. Некоторые аспекты функционирования нервной системы мы стали понимать в более широком плане лишь в начале XXI века, когда выяснилось, что нервная система отвечает не только за наши чувства и движения, но и за функцию органов и иммунитет. Все эти открытия легли в основу наших представлений об электроме.
До недавнего времени данные об этих отдельных электрических свойствах биологических систем рассматривались в пределах узких дисциплин. Дело в том, что изучение биоэлектричества все больше замыкалось в рамках нейробиологии, а также электрофизиологии, которая в значительной степени связана с нервами и нейробиологией – до такой степени, что ученые полагали, что биоэлектричество используется только в нервных клетках.
Но одна из самых удивительных особенностей электрома заключается в том, что животное электричество никоим образом не ограничивается миром животных. Ионные каналы есть не только у нас. Все другие царства организмов работают на том же самом “топливе”.
Электрические царства
Признаки этой реальности мы начали обнаруживать задолго до того, как смогли ее понять. В 1947 году физиолог Элмер Лунд установил наличие электрического поля у водорослей[128]. Он был не одинок; аналогичное электрическое излучение имелось у всех биологических объектов, которые пытались анализировать ученые: у венериной мухоловки, лягушачьей и человеческой кожи, микроскопических грибов, бактерий, куриных эмбрионов, рыбьей икры и проростков овса.
Данные из различных областей исследований показывают, что растения, бактерии и грибы используют почти такие же сигналы, что и мы, и исследования подтверждают, что эти сигналы производят очень похожий эффект. Бактерии используют электрические волны кальция для согласованной организации в биопленки из колоний (сейчас ученые активно изучают возможности нарушения регуляции этих электрических сигналов в рамках борьбы с устойчивостью бактерий против действия антибиотиков)[129]. Грибы пользуются ими среди прочего для передачи сообщений по своим длинным мицелиям, когда обнаруживают источники пищи или пустоту[130]. Растения с помощью электричества активируют химические механизмы защиты от растениеядных существ. И этот список можно продолжать.
В последние двадцать лет, когда мы стали находить все больше сходства между нашим электрическим строением и строением бактерий, грибов и простейших организмов, мы начали задумываться о том, почему их электрические сигналы так похожи на сигналы в нашей нервной системе. Но теперь многие ставят вопрос иначе: почему мы так похожи на них и что это говорит о нашем электрическом строении?
Все существа, вне зависимости от наличия мозга, пользуются похожим набором ионов для создания электрического потенциала на поверхности клеток. Все мы используем этот электрический потенциал в качестве средства коммуникации. За счет него нервная система животных играет роль командного и контрольного пункта; представители других царств с его помощью передают сигналы и общаются между собой при отсутствии нервной системы. Электрофизиолог из Института биомедицинских исследований Скриппса во Флориде Скотт Хансен полагает, что, “вероятно, все системы передачи сигнала начались с таких изменений напряжения”.
И это вызывает интересный вопрос: нет ли у нас еще одной системы коммуникации, действующей параллельно с нервной? Недавние исследования подтвердили, что в наших телах функционируют как минимум две электрические сети коммуникации.
У нас появляется все больше данных, согласно которым биоэлектричество в нервной системе (движущая сила животного духа) – не единственная электрическая система коммуникации в теле животного. Странные электрические силы и поведение связывают между собой все клетки организма. Если расположить клетки кожи, костей, крови или нервов (фактически любые клетки) на чашке Петри и поместить в электрическое поле, все клетки начнут скапливаться на одной стороне чашки. Они словно чувствуют электрическое поле, хотя мы пока не понимаем, как это возможно. Нам известно только, что электрическое поле влияет на биоэлектрические параметры клеток (любых клеток, а иногда целых органов), и мы можем использовать это свойство и заставить клетки делать то, чего они обычно не делают.
По этой причине некоторые ученые постепенно начинают воспринимать биоэлектрические свойства в качестве элемента эпигенетики, которая изучает механизмы изменчивости работы генов под влиянием внешней среды без изменения самой ДНК. “Обнаруживается все больше и больше эпигенетических факторов, определяющих организацию биологической информации и информационных потоков”, – пишет физик Пол Дэйвис[131]. Он полагает, что биоэлектричество является важнейшим (хотя пока еще малопонятным) эпигенетическим фактором, позволяющим клеткам использовать эпигенетическую информацию. Другие исследователи считают биоэлектричество чем-то большим, нежели еще один аспект эпигенетики. Слово “эпигенетический” означает “находящийся над генами”. Может быть, электрическая передача сигналов является своего рода “метаэпигенетическим” фактором – “одним кольцом, чтоб все сковать”, если угодно. Как мы увидим в последующих главах, электрические сигналы контролируют многие сложные аспекты биологии – от механизмов экспрессии генов до включения механизмов воспаления в иммунной системе.
Биоэлектрический код
Таким образом, четкое понимание сути электрома может помочь контролировать геном почти с той же легкостью, с которой мы контролируем работу аппаратного и программного обеспечения компьютера. Майкл Левин из Университета Тафтса принадлежит к числу ученых, которые подтвердили способность электробиологических факторов регулировать работу генов и тем самым нашли возможность влиять на другие системы, ранее казавшиеся неподвластными прицельному контролю. Левин считает, что более глубокое понимание биоэлектричества позволит нам выйти на некий биоэлектрический код, записанный не в генах, а в ионах и ионных каналах. Он определяет сложные биологические процессы, формирующие тело человека в утробе матери за счет регуляции программ роста и гибели клеток. Этот биоэлектрический код обеспечивает сохранение формы тела на протяжении всей жизни, он ограничивает деление клеток, подобно садовнику, подрезающему куст, так что человек остается узнаваемым. А если этот код поддается расшифровке и манипуляциям, значит, его можно использовать для программируемой перестройки физической формы человека, избавив его от врожденных дефектов и рака (подробнее на эту тему мы поговорим в главах 7 и 8). Если нам удастся описать электрические свойства биологических тканей (то есть описать человеческий электром), как мы описываем их генетическое строение, мы сможем взломать биоэлектрический код человека.
Когда мы задумываемся о происхождении жизни, в первую очередь в голову приходит мысль о генетическом коде. Как появились молекулы ДНК и РНК и как они позволили воспроизводить жизнь со всеми ее проявлениями? Но есть вторая, не менее важная мысль, которая обычно никому в голову не приходит: откуда взялась клеточная мембрана?[132]
Клеточная мембрана важна по нескольким причинам. Первая – сугубо практическая. Если бы все молекулы ДНК и РНК, воспроизводящие все элементы, все нуклеотиды и аминокислоты, которые нужны нам для жизни, не удерживались бы в какой-то емкости, они просто расплылись бы во все стороны в бесконечном супе. Чтобы сделать что-то полезное из составных элементов жизни, их нужно удерживать рядом друг с другом. В этом и заключается роль мембраны – самой недооцененной эволюционной инновации.
Но мембрана играет еще и другую, даже более важную роль. Она отделяет внутреннее пространство клетки от внешней среды. И поскольку все известные клетки всегда содержат разные типы ионов, как только появляется мембрана, сразу появляется и напряжение – простая физика. Остается лишь добавить белки для образования мембранных каналов, по которым ионы входят в клетку и выходят из нее.
Ионные каналы возникли приблизительно 3 миллиарда лет назад. Растения, грибы, животные – все мы унаследовали их от наших эукариотических предков. Совершенно очевидно, что передача сигналов началась не с натриевых каналов – они появились только примерно в одно время с нервной системой, около 600 миллионов лет назад[133]. В 2015 году нейробиолог Гарольд Зейкон проанализировал эволюционную историю ионных каналов и установил, что большинство семейств ионных каналов происходят от нашего древнейшего известного предка[134]. Он обнаружил, что кирпичики для построения натриевых каналов существовали уже в самых первых ионных каналах – калиевых каналах. Вообще говоря, калиевый канал сравним с кубиком лего, из которого впоследствии сформировалось большинство других каналов, в том числе натриевые и кальциевые каналы. “Мотив, позволяющий калию проходить через канал, является очень древним и консервативным. Он почти одинаковый во всех организмах, от бактерий до нас, – сообщает Зейкон. – Ген этого канала есть у нас, в каждой клетке нашего тела и, вероятно, в каждой клетке на Земле”.
Действительно, этот молекулярный мотив первого ионного канала до сих пор сохраняется в клетках бактерий. Все последующие каналы и насосы происходят от этого предкового гена.
Вывод такой: разделение ионов и их перенос через мембрану – важнейшие условия для существования всех живых организмов. Это не изобретение нервной системы, и пока мы еще не в полной мере осознали, как природа может использовать электрический потенциал. Хотя буквально все клетки применяют это “самодельное” электричество, мы до сих пор откровенно недооцениваем широчайший спектр процессов, в которых оно задействовано. Совершенно очевидно, что эта тема не раскрыта полностью в учебниках по биологии, по крайней мере не раскрыта в той степени, чтобы любой человек мог оценить важность и роль электрической составляющей жизни. Элементы, проходящие через наши мембраны, такие как ионы натрия, кальция или хлора, являются остатками звездной пыли. Если где-то во вселенной существуют какие-то другие клетки, это свойство должно роднить нас с ними. “Возможно, это общее свойство всех клеток во вселенной”, – заметил Зейкон.
Мы ничего этого не знали, когда начали экспериментировать с животным духом и нашли первые подтверждения существования биоэлектрического кода. Мы ничего не знали об ионных каналах или профилях, и варианты батарейки Вольты были единственным инструментом, которым мы могли пользоваться для исследований животного духа. Вот почему первые знания об электроме мы получили благодаря электрическим свойствам нервов и мышц. Как вы узнаете из последующих трех глав, именно так мы начали понимать, что можем использовать электричество для управления собственным сердцем, мозгом и центральной нервной системой.