Текст книги "Искра жизни. Электричество в теле человека"

Прогресс, подтвержденный расчетом

После измерения амплитуды и продолжительности натриевых и калиевых токов Ходжкину и Хаксли нужно было доказать, что они достаточны для генерирования нервного импульса. Ученые решили сделать это теоретически, путем расчета ожидаемой продолжительности потенциала действия. Они предположили: если удастся построить математическую модель нервного импульса, это даст веское основание считать, что он является результатом только зарегистрированных токов. Хаксли пришлось решать сложные уравнения на механическом арифмометре, поскольку вычислительная машина Кембриджского университета была «недоступна» в течение полугода. Как ни странно это выглядит сейчас, но университет тогда располагал всего одной ЭВМ (по правде сказать, это была первая электронная вычислительная машина в Кембридже). На расчет потенциала действия у Хаксли ушло около трех недель: мы продвинулись далеко вперед с тех пор – моему нынешнему компьютеру требуется всего несколько секунд для проведения тех же вычислений. Не менее замечательно, пожалуй, и то, что мы до сих пор пользуемся уравнениями, составленными Ходжкином и Хаксли для описания нервного импульса.

В 1952 г., через три года после завершения экспериментов, Ходжкин и Хаксли опубликовали результаты своей работы в эпохальной серии из пяти статей, которые навсегда изменили наши представления о том, как работают нервы. Такой большой разрыв во времени между получением результатов и публикацией кажется невероятным для сегодняшних ученых, которым соперники постоянно наступают на пятки. Но в 1950-е гг. все было по-другому. Хаксли как-то сказал мне, что «такое даже в голову не приходило». В 1963 г. Ходжкин и Хаксли были удостоены Нобелевской премии. Они получили ее по праву – их результаты были выдающимися, а анализ настолько точным, что произвел революцию в сфере исследований нервной системы и заложил фундамент современной нейрофизиологии.

Борьба за кальмаров

Эксперименты Ходжкина и Хаксли вызвали волну интереса и круглогодичный приток ученых в морские лаборатории Плимута и Вудс-Хоула. Поскольку кальмары кочующий вид, а ученые обычно занимаются преподаванием, лаборатории были обречены на превращение в «летние лагеря для исследователей» и в инкубатор идей и новых экспериментов. В особенности это касалось Вудс-Хоула. Кальмаров не хватало, и за лучшие образцы шла настоящая битва, так что очень быстро складывалась неофициальная иерархия получателей. В середине 1960-х гг. борьба за кальмаров стала настолько острой, что некоторые ученые стали искать другое место для работы зимой, и Монтемар неподалеку от Вальпараисо в Чили оказался идеальным для этого. К тому же чилийские кальмары – и их аксоны – были значительно крупнее.

Хотя в наши дни для исследования механизма генерирования и передачи нервных импульсов используются и другие виды клеток, включая клетки мозга млекопитающих, аксон кальмара по-прежнему остается ценным объектом экспериментов. В 1940-х гг. те немногие кальмары, которых вылавливали в Плимуте, оказывались настолько помятыми тралами рыболовецких судов, что жили очень недолго после доставки в лабораторию. В результате этого эксперименты надо было проводить немедленно. Рыболовецкие суда возвращались, как правило, ближе к вечеру, и работать приходилось всю ночь напролет. Поэтому по утрам Ходжкин и Хаксли отсыпались и планировали эксперименты. Когда я была в Вудс-Хоуле в 1980-х гг., распорядок дня там был таким же, и многие ученые после ночного бдения в лаборатории добирались до постели только на рассвете. Сегодня в Чили кальмаров часто ловят на удочку и повреждают значительно меньше. Однако из-за громадных размеров для тамошних кальмаров не так-то просто подобрать подходящий резервуар, поэтому ученые все равно вынуждены работать в ночную смену.

Со времен, проведенных в Вудс-Хоуле, я знаю, что аксоны, дающие наилучшие результаты, оставляют о себе память самым необычным образом. В конце эксперимента они взмывают вверх и шлепают по потолку лаборатории, оставляя узор из засохших закорючек. Со временем они так раскрасили потолок, что он стал смахивать на картины Джексона Поллока. Однако до потолка достают не все аксоны, «на небеса возносятся» только лучшие.

Огонь!

Натриевые и калиевые каналы, которые открываются в ответ на изменение потенциала на клеточной мембране, являются ключевыми элементами механизма генерирования электрических сигналов в нашем мозге, сердце и мышцах. Когда нервные клетки находятся в состоянии покоя, и те и другие каналы плотно закрыты. При возбуждении нерва сначала натриевые каналы, а вслед за ними с небольшим отставанием и калиевые каналы начинают действовать, создавая кратковременное изменение мембранного потенциала – нервный импульс. Однако что инициирует этот процесс?

Важно то, что натриевые и калиевые каналы, участвующие в генерировании потенциала действия, чувствительны к потенциалу и открываются, если мембранный потенциал становится более положительным (деполяризация). Именно это происходит, когда нервная клетка возбуждается под влиянием входящего сигнала от другой нервной клетки или под действием внешнего электрического разряда. Чем больше при этом изменяется мембранный потенциал, тем больше открывается натриевых каналов и больше ионов натрия поступает в клетку. Помните, в соответствии с законом Ома изменение тока вызывает соответствующее изменение разности потенциалов? В нервной клетке натриевый ток сдвигает потенциал в положительном направлении, это приводит к открытию дополнительных натриевых каналов, что делает мембрану еще более положительной и приводит к открытию новых каналов, и т. д. Иными словами, возникает цикл с положительной обратной связью. Этим и объясняется взрывной, соответствующий закону «все или ничего» характер потенциала действия.

Два фактора возвращают мембранный потенциал к уровню покоя. Во-первых, натриевые каналы не бесконечно остаются открытыми при положительных мембранных потенциалах и в конечном итоге закрываются. Этот процесс называется инактивацией. Во-вторых, открываются калиевые каналы, и ионы калия уходят из клетки, восстанавливая дисбаланс зарядов и вновь сдвигая потенциал в отрицательном направлении. И это хорошо, что калиевые каналы открывают позже натриевых, ведь если бы они открывались одновременно, то натриевый и калиевый токи компенсировали бы друг друга, а значит, не было бы ни нервных импульсов, ни мыслей, ни действий.

Ужасная гадость

Значение натриевых и калиевых каналов для генерирования нервного импульса подчеркивается тем фактом, что яды пауков, моллюсков, актиний, лягушек, змей, скорпионов и множества других экзотических существ воздействуют именно на эти каналы и, таким образом, нарушают функционирование нервов и мышц. Многие яды очень специфичны и нацелены на какой-нибудь один вид ионных каналов. Ну вот мы и вернулись к капитану Куку и иглобрюху.

Тетродотоксин, содержащийся в печени и других тканях этой рыбы, является сильнодействующим блокатором натриевых каналов в нервной ткани и скелетных мышцах. Он вызывает онемение и покалывание губ и рта уже через 30 минут после попадания внутрь. Ощущение покалывания быстро распространяется на лицо и шею, потом на пальцы и ступни, а затем наступает паралич скелетных мышц – человек теряет равновесие, начинает бессвязно говорить и не может пошевелить ни руками, ни ногами. В конечном итоге наступает паралич дыхательных мышц. На сердце яд не влияет, поскольку в его клетках натриевые каналы другого типа. Токсин также не может преодолеть гематоэнцефалический барьер, поэтому, как это ни ужасно, обездвиженная и умирающая жертва остается в сознании. Противоядия не существует, и смерть обычно наступает в интервале от двух часов до суток. В 1845 г. врач на борту голландского брига Postilion, идущего мимо мыса Доброй Надежды, был свидетелем того, как два моряка «умерли в течение 17 минут после того, как съели печень рыбы». Вместе с тем пострадавшие могут полностью восстановиться, если поддерживать искусственное дыхание до тех пор, пока яд не будет выведен из организма. Это требует нескольких дней.

Картина японского художника-графика Хиросигэ «Желотохвост и фугу». Иглобрюх (фугу) – это рыба меньшего размера.

В Японии иглобрюха называют фугу и считают деликатесом. К сожалению, наслаждение им обходится дорого. Если его готовят недостаточно тщательно, то даже мясо может быть ядовитым. Ежегодно от отравления тетродотоксином погибают несколько человек. По большей части это рыбаки, которые отваживаются съесть собственный улов. Отравления в ресторанах случаются намного реже, поскольку все повара, имеющие дело с фугу, в наше время должны проходить специальное обучение и после строгого экзамена получать лицензию. Тем не менее такие случаи все же бывают. В 1975 г. жертвой фугу стал популярный актер театра кабуки Бандо Мицугоро – он потребовал принести четыре порции печени, которая особенно опасна, и в ресторане не решились отказать такому знаменитому клиенту. Возможно, именно поэтому блюда из фугу запретны для императора Японии. При правильном приготовлении рыба должна приводить к очень незначительной интоксикации и вызывать приятное покалывание во рту. Разочек и я решила попробовать ее, но мне она показалась безвкусной. Привкус опасности – вот что придает пикантность блюду.

Не все случаи отравления фугу связаны с сознательным употреблением этой рыбы в пищу. В 1977 г. в Италии три человека умерли после того, как съели импортированного иглобрюха, который был по ошибке продан под видом морского черта. Десятилетие спустя у двух человек в штате Иллинойс появились симптомы, напоминающие отравление тетродотоксином, после того, как съели суп из импортного мороженого «морского ангела». Анализ, проведенный Управлением по контролю за продуктами и медикаментами США, подтвердил наличие яда и привел к изъятию из продажи всех 64 коробок импортного продукта. Сразу после этого посыпались иски к поставщику. Отравления приготовленными в промышленных условиях моллюсками довольно обычное явление в Китае и на Тайване – с 1997 по 2001 г. пострадали три сотни человек, из которых 16 умерли.

Тетродотоксин содержат многие живые существа: от рифовых рыб, крабов и морских звезд до плоских червей, саламандр, лягушек и жаб. Для большинства из них яд служит биологической защитой, однако некоторые, вроде смертельно опасного синекольчатого осьминога, накапливают его в специальном мешочке и используют для поражения жертвы. По какой причине так много разных животных содержат тетродотоксин, никто не знал до тех пор, пока не выяснилось, что на самом деле этот яд вырабатывают бактерии (Psuedoalteromonas tetraodonia), которыми животные питаются или которые живут у них в кишечном тракте. Иглобрюхи, выращенные в среде без этих бактерий, не содержат тетродотоксина. Оценят ли любители рыбу, лишенную элемента русской рулетки, так же высоко, как и рыбу, выросшую в естественных условиях, большой вопрос.

Литературный герой Джеймс Бонд, британский агент 007, похоже, имеет особые отношения с тетродотоксином – его травили этим ядом не менее двух раз. Роман «Из России с любовью» заканчивается тем, что член террористической организации СПЕКТР Роза Клебб бьет Бонда наполненной ядом иглой в носке туфли и оставляет умирать. Бонд, конечно, непобедим, и следующий роман «Доктор Ноу» начинается с того, что он оправляется после смертельной дозы тетродотоксина, который, по его словам, «ужасная гадость и действует очень быстро». Агент 007 выживает только потому, что напарник делает ему искусственное дыхание до тех пор, пока он не попадает в руки врачей. В другой раз в фильме «Осьминожка» Бонд сталкивается с синекольчатым осьминогом, укус которого приправлен тетродотоксином. Как всегда, он выходит из ситуации хоть и помятым, но непобежденным.

Красные приливы и убийственное зелье

При благоприятных условиях водоросль Alexandrium способна размножаться настолько бурно, что море приобретает кровавый цвет. Катастрофические последствия таких явлений известны уже не одно столетие. Они упоминаются даже в Библии, которая очень живо рисует картину одного из величайших бедствий Египта: «Вода в реке превратилась в кровь. И погибла вся рыба в реке; и река смердела, и египтяне не могли пить воду из нее». Красные приливы несут миллионы крошечных водорослей, так называемых динофлагеллятов, которые вырабатывают сильные нейротоксины, включая сакситоксин. Как и тетродотоксин, он блокирует натриевые каналы. Такие биофильтраторы, как мидии и другие двустворчатые моллюски, могут питаться динофлагеллятами и накапливать вырабатываемые ими токсины. В результате они становятся ядовитыми для тех, кто их съест. Был случай, когда в аляскинских мидиях на 100 г ткани приходилось 20 000 мкг сакситоксина (в 250 раз больше предельно допустимой концентрации). При таком содержании яда употребление в пищу всего одной мидии может убить вас. Еще более опасен зеленый краб с Большого Барьерного рифа – одна особь может содержать такое количество токсина, которое достаточно, чтобы убить 3000 человек. Динофлагелляты сильнее всего размножаются весной и летом, когда много солнца и достаточно теплая вода. Возможно, именно с этим связана старая мудрость: «Не ешь моллюсков, когда в названии месяца нет буквы “Р”».

В развитых странах отравление моллюсками случаются редко в результате действенных программ контроля и жесткого регулирования. После обнаружения зараженных зон в них объявляется карантин и устанавливается запрет на продажу моллюсков. В последнее десятилетие сезонные вспышки отравлений моллюсками (главным образом сакситоксином) приводили к временным запретам продажи моллюсков в разных частях света. Особенно сильно пострадала индустрия морепродуктов на Аляске, поскольку местные моллюски ядовиты в течение большей части года. Однако если морепродукты, добываемые промышленным способом, безопасны, то не все так хорошо с моллюсками, которых люди собирают для себя. С 1973 по 1992 г. было зафиксировано 117 случаев отравления моллюсками на Аляске, при этом 75 % из них приходились на период с мая по июль. К счастью, смертельный исход был всего один, но госпитализация потребовалась многим. Самое масштабное отравление произошло в 1987 г. в Гватемале, когда пострадали сразу 187 человек, 26 из которых спасти не удалось.

Тетродотоксин и сакситоксин – молекулярные имитаторы. Они физически закупоривают внешнюю горловину поры натриевого канала, эффективно подавляют функцию канала и дают сходную физиологическую реакцию. Оба яда являются ценными исследовательскими инструментами, поскольку они избирательно блокируют натриевые каналы, не влияя на большинство других каналов. В настоящее время тетродотоксин рутинно используется в исследованиях для блокирования натриевых каналов с целью изучения механизмов функционирования других каналов. Его действие было открыто в 1962 г. Тосио Нарахаси, работавшим без сна и отдыха в течение Рождества и новогоднего праздника вместе с Джоном Муром и Уильямом Скоттом. Нарахаси вспоминает, как рецензент их рукописи написал заявку на токсин в конце своего отзыва. Это была первая из великого множества заявок.

Возможно, у вас возник вопрос: почему сакситоксин не действует на моллюски и почему иглобрюх плавает как ни в чем не бывало, несмотря на высокий уровень тетродотоксина? Дело в том, что сродство их собственных натриевых каналов к токсину сильно уменьшено в результате замены в процессе эволюции одной или нескольких аминокислот в месте присоединения токсина. Аналогичная мутация наблюдается в натриевых каналах клеток сердца. Это объясняет, почему наше сердце продолжает биться даже тогда, когда дыхательные мышцы полностью парализованы.

Сакситоксин использовался американскими агентами, участвовавшими в тайных операциях, как средство самоликвидации и нападения. Он очень ядовит и требуется в крошечных количествах (которые легко спрятать), а кроме того, он действует быстрее и эффективнее, чем цианид. Из-за того, что он стабилен, растворим в воде и почти в тысячу раз более токсичен, чем синтетические газы нервно-паралитического действия, подобные зарину, сакситоксин (под маркировкой SS или TZ) находился на военных складах США как химическое оружие. Его получили из тысяч моллюсков, собранных вручную на Аляске. В 1969–1970 гг. президент Никсон закрыл американскую программу разработки биологического оружия и приказал уничтожить все существующие запасы в соответствии с конвенцией ООН. Однако пять лет спустя сенатор Фрэнк Черч, председатель сенатского комитета по разведке, расследовавшего деятельность ЦРУ, обнаружил, что кто-то из руководителей среднего звена не подчинился. Около 10 г токсина, которых достаточно, чтобы убить несколько тысяч человек, все еще находились в центре Вашингтона в нарушение президентского указания. Токсин хранился в двух четырехлитровых контейнерах в небольшом холодильнике под верстаком, и эта находка вызвала нешуточный переполох.

Сообщение об этом привлекло внимание Мердока Ричи с медицинского факультета Йельского университета, который знал, какую ценность представляет собой токсин для ученых, занимающихся исследованием работы нервной системы. Он сразу же обратился к Черчу с просьбой не уничтожать его. Вопреки ожиданиям, ЦРУ предложило Ричи забрать весь токсин с тем условием, что он организует его распределение в научном сообществе. Ричи быстро сообразил, что хранение запасов токсина налагает огромную ответственность. Помимо прочего, количество токсина было небезграничным при высоком ожидаемом спросе. В такой ситуации, возможно, ему «придется ограничивать выдачу и даже отклонять заявки, а это верный путь нажить врагов». Поэтому Ричи мудро уступил распределение системе национальных институтов здравоохранения. Так исследователи ионных каналов получили неожиданный подарок.

Сакситоксин всегда было трудно добыть из-за его захватывающей истории, а первые успехи с синтезом сакситоксина в лабораторных условиях (в 1977 г.) привели к еще большему ужесточению контроля. В настоящее время он входит в Список 1 Конвенции о запрещении химического оружия. В отличие от этого тетродотоксин на протяжении многих лет рутинно заказывали у поставщиков лабораторных реагентов. Впрочем, после 11 сентября 2001 г. ситуация осложнилась по всему миру. Ученым разрешается хранить лишь крошечные количества токсина, все запасы подлежат обязательной регистрации и тщательно контролируются. Не так давно я сама столкнулась с этим, когда к нам неожиданно нагрянули представители антитеррористического подразделения британской полиции, с тем чтобы проверить наши запасы тетродотоксина.

Король ядов

Не все токсины блокируют поры натриевых каналов. Есть и такие, которые держат каналы в открытом состоянии, что приводит к чрезмерному возбуждению нервных и мышечных волокон. Одним из самых сильнодействующих ядов является аконит, который столетиями использовался в качестве смертельного оружия. Одной из его жертв стал Лахвиндер Чима, который пришел домой, достал остатки вегетарианского карри из холодильника и разогрел их, чтобы перекусить вместе со своей невестой Гурджит. Они сидели, ужинали и обсуждали детали предстоящей свадьбы. Однако это продолжалось недолго. Минут через 10 Лахвиндер почувствовал, что у него немеет лицо, очень быстро он и Гурджит побледнели, у них началось головокружение и отнялись руки и ноги. Им удалось вызвать скорую помощь, но Лахвиндер скончался через час, а Гурджит еще боролась за свою жизнь. Она выжила только потому, что съела меньше карри. Блюдо было отравлено аконитом бывшей пассией Лахвиндера, ревнивой Лахвир Сингх, которая проникла в квартиру в его отсутствие.

Аконит, или правильнее аконитин, в разговорной речи называют королем ядов. Он содержится в борце (аконите), симпатичном растении с высоким стеблем и синими шлемовидными цветками, которое часто встречается в садах. В соответствии с древнегреческой мифологией оно вырастает там, куда упала слюна из пасти Цербера, трехглавого пса, который охраняет врата ада. Ядовитость этого растения столетиями интриговала писателей, оно фигурирует во множестве литературных произведений, включая рассказ Оскара Уайльда «Преступление лорда Артура Севила» и роман Джеймса Джойса «Улисс», где Рудольф Блум умирает «в результате передозировки волчьего корня (аконита), принятого в форме антиневралгической мази». Овидий рассказывает, как Медея пыталась убить Тесея, отравив его вино аконитом. В реальности люди умирали также от случайного употребления аконита. Одной из самых известных жертв был канадский актер Андре Ноубл. Поскольку токсин проникает через кожу, даже сбор растения без перчаток может вызвать симптомы отравления. Китс в одном из стихотворений не советует «выжимать из волчьего корня его ядовитый сок».

Другим сильнодействующим активатором натриевых каналов является батрахотоксин, который выделяют из желез на спине ярко окрашенных желтых и черных лягушек-древолазов из Южной и Центральной Америки. Его добывают американские индейцы и используют при изготовлении отравленных дротиков для духовых трубок. Как и в случае аконитина, против него нет противоядия. Батрахотоксин вырабатывают не сами лягушки, а жуки, которыми они питаются. Впрочем, доподлинно неизвестно, кто же именно вырабатывает яд – жуки или другие создания, являющиеся их пищей. Лягушки-древолазы – не единственные живые существа, заимствующие батрахотоксин у жуков в целях самозащиты. В Новой Гвинее двуцветная дроздовая мухоловка с великолепным оперением ярко красного и черного цвета тоже занимается этим. Ее перья и кожа отравлены батрахотоксином, как установил биолог Джон Дамбахер, неосмотрительно лизнувший царапину на пальце, оставленную птицей, которую он пытался освободить из сети. Он очень быстро почувствовал покалывание в пальцах и губах, а потом наступило временное онемение. Местный проводник сказал, что мухоловки – «дрянные птицы» и все знают, что они ядовиты.

Не менее опасен андромедотоксин, который также активирует натриевые каналы и заставляет их оставаться открытыми. Его выделяют некоторые виды рододендрона, и он накапливается в меде из нектара, собранного пчелами на его цветках. Эффект, вызванный употреблением в пищу отравленного меда, известен людям с незапамятных времен. Одно из первых упоминаний о «бешеном меде» можно найти у древнегреческого писателя и историка Ксенофонта. Он пишет, что во время похода в 401 г. до н. э. у г. Трабзон (на побережье Черного моря) «встретилось огромное количество пчел, и все солдаты, которые ели мед, лишались рассудка, мучились рвотой и расстройством желудка, валились с ног. Те, кто отведал чуть-чуть, походили на сильно пьяных, те, кто съел много, были подобны безумным, а некоторые, казалось, умирали. Они валялись на земле, как побитое войско, а общее состояние было подавленным». Ну а что же было потом? Никто не умер, и на следующий день все пришли в чувство. Описанные симптомы навели военачальников античных времен на мысль о том, что бешеный мед может быть эффективным биологическим оружием, если его разбросать на пути врага. И эта идея была реализована. В 67 г. до н. э. три римские когорты полководца Помпея, около 1400 солдат, находившихся в беспомощном состоянии после употребления бешеного меда, были перебиты противником. В наши дни отравления бешеным медом случаются нечасто, поскольку лишь редкие виды растений выделяют токсин, а поступающие в продажу партии меда смешиваются, так что содержание токсина сильно уменьшается. Единичные случаи отравления отмечаются на черноморском побережье Турции, где, как ни удивительно, бешеный мед считается стимулятором сексуальной активности. К счастью, фатальных исходов обычно не наблюдается.

Токсины, воздействующие на натриевые каналы, могут быть ценными инсектицидами, если их удастся нацелить на специфические для нервов насекомых ионные каналы. Одним из самых известных токсинов такого типа является дихлордифенилтрихлорэтан, который иначе называют ДДТ. Он активирует натриевые каналы в нервах насекомых, но не действует на каналы млекопитающих, имеющих генетические и структурные отличия. Активация натриевых каналов заставляет аксоны насекомых генерировать импульсы самопроизвольно, что приводит к спазму мышц и в конечном итоге к гибели. ДДТ играл важную роль в предотвращении распространения тифа и малярии во время Второй мировой войны и после нее, однако эффективность этого препарата постепенно снижалась, поскольку насекомые приобретали устойчивость к нему. Это происходило в результате сильного давления эволюционного отбора – распространения генетических мутаций, меняющих участок натриевого канала, к которому присоединяется ДДТ (и, таким образом, устраняющих его влияние). Применение ДДТ, кроме того, было поставлено под вопрос после выхода в свет книги Рейчел Карсон «Безмолвная весна», в которой применение ДДТ и других пестицидов называлось в качестве причины заметного сокращения числа певчих птиц в США. Хотя ДДТ не открывает натриевые каналы птиц и млекопитающих, он оказывает на них другое воздействие: у птиц, например, он вызывает утончение яичной скорлупы, повышение ее хрупкости и уменьшение числа вылупившихся птенцов.