Текст книги "Искра жизни. Электричество в теле человека"

Правила натриевых каналов

Из череды изложенных выше поучительных историй и жутких зарисовок очевидно, что в природе существует огромное множество ядов, нацеленных на натриевые каналы, что их значительно больше, чем ядов, взаимодействующих с ионными каналами других видов. Одна из причин этого, возможно, заключается в том, что специализация натриевых каналов – быстрая передача нервных и мышечных импульсов. Заблокируйте их, и живое существо будет быстро парализовано и станет легкой добычей.

Многие токсины, нацеленные на ионные каналы, помимо прочего, имеют значительную ценность для ученых, пытающихся понять, как работают нервы. Поскольку действие таких токсинов чаще всего очень избирательно, их можно использовать для выделения вклада отдельно взятого канала в электрическую активность клетки. В наши дни токсины можно просто купить у специализированных компаний. В прошлом же все было иначе, и ученым не только приходилось очищать токсины самостоятельно, но и нередко заниматься сбором живых существ, которые вырабатывают яд.

Охотники за ядами были отважными искателями приключений. Одни из них ежегодно на протяжении месяца собирали улитки-конусы в Красном море, поочередно то ныряя за ними, то экстрагируя яд. Со стороны такая охота может показаться отдыхом, но на деле это тяжелая работа, не говоря уже о дополнительном напряжении, связанным с необходимостью постоянно быть начеку, чтобы не позволить улитке ужалить себя. Другие отправлялись в Северную Африку, где проводили ночи в пустыне. Там под безбрежным сводом небес, усеянном звездами, земля выглядит черной как смоль и кажется безопасной. Однако стоит включить ультрафиолетовую лампу, и вы увидите вокруг множество скорпионов, которые ярко светятся в ультрафиолетовом спектре. Тысячи этих членистоногих аккуратно собирают в большие бидоны для молока и отправляют во Францию. Там каждый месяц на протяжении недели их доят, добывая яд. Эта операция требует чрезвычайной осторожности, однако у опытного исследователя есть возможность избежать ядовитого укола – скорпиона нужно брать как можно ближе к кончику хвоста. В ответ на это он выделяет каплю яда, который собирают. Процесс сбора яда отнимает очень много времени – для получения достаточного для экспериментов количества токсина нужен яд 150 000 скорпионов.

Обилие ядов для натриевых каналов говорит о том, какое значение имеют эти каналы для функционирования нервов и мышц. Их особая чувствительность к потенциалу и избирательная проницаемость для ионов натрия принципиально важны для генерирования и передачи нервных импульсов, а также информации по аксонам нервов, например по двигательным аксонам, от головного и спинного мозга к мышцам. Что происходит, когда эти импульсы достигают нервных окончаний, и как они возбуждают мышечное волокно, мы узнаем в следующей главе.

Глава 4
Не забывайте о межклеточном пространстве

 
прыжок
мысли через синаптическую щель.
 

Брайан Тернер. Эй, пуля

Ботокс – новейшее оружие в арсенале косметической хирургии, им пользуются кинозвезды и простые люди, желающие избавиться от морщин на лице, которые появляются с возрастом. На деле он представляет собой опасный яд, называемый ботулотоксином. Во времена моей молодости он был намного более известен как причина пищевых отравлений со смертельным исходом. В те дни консервированная говядина была массовым продуктом питания, но если консервные банки оказывались плохо закрытыми, то в продукт попадали бактерии Clostridium botulinum. Токсин, вырабатываемый этими бактериями, убивал любого, кто неосмотрительно употреблял в пищу такие консервы{9}9
  Несмотря на чрезвычайную ядовитость, ботулотоксин легко разрушается при нагреве. Споры бактерий, однако, могут выдерживать нагревание до 100 °С в течение двух часов.


[Закрыть]. Другие мясные продукты тоже, случалось, содержали токсин – ведь даже само слово botulinum происходит от латинского названия колбасы (botulus).

Ботулотоксин – один из самых сильных известных природных ядов. В количестве, умещающемся на кончике иглы, он смертелен для взрослого человека, а одного грамма, по расчетам, достаточно, чтобы убить миллион человек. Считается, что бойцы чешского Сопротивления использовали его для покушения на печально известного обергруппенфюрера СС Рейнхарда Гейдриха, высокопоставленного нацистского функционера, в котором Гитлер видел своего преемника. Покушение на Гейдриха было совершено в Праге весной 1942 г. двумя прошедшими подготовку в Великобритании чешскими патриотами, которые бросили в его автомобиль гранату, начиненную, по общепринятому мнению, ботулотоксином. Хотя ранения Гейдриха были вроде бы не опасны для жизни и операция прошла успешно, он умер через восемь дней от осложнений. Действительно ли ботулотоксин был причиной его смерти – большой вопрос. Тем не менее некоторые страны занимались исследованием возможности использования ботулотоксина в качестве боевого отравляющего вещества. ЦРУ, например, обработало ботулотоксином партию любимых сигар Фиделя Кастро (до применения которых дело так и не дошло).

Ботулотоксин предотвращает сокращение мышц. При попадании внутрь организма он постепенно расслабляет дыхательные мышцы, пока они не перестают функционировать, вызывая смерть от удушья. В последнее десятилетие или два, однако, обнаружилось, что впрыскивание ничтожного количества токсина под кожу позволяет парализовать мышцы в строго ограниченной зоне. Поначалу это свойство использовали в целях оказания помощи людям, у которых мышцы шеи или плеча находятся в постоянно «замороженном» состоянии, и они могут поворачивать голову только в одну сторону. Вскоре выяснилось, что ботокс оказывает еще один эффект – он разглаживает глубокие мимические морщины, формирующиеся при нахмуривании и улыбке. Как заметил однажды швейцарский врач Парацельс, «между ядом и лекарством разница лишь в дозе».

Достоинство ботокса в том, что он соединяется со своей целью очень сильно, его вымывание идет крайне медленно, и мышцы остаются расслабленными в течение многих месяцев. Вместе с тем примерно раз в полгода процедуру необходимо повторять. Оборотной стороной этого метода является то, что токсин блокирует также сокращение мимических мышц и приводит к появлению неподвижной «маски сфинкса» на лице. Еще хуже то, что при слишком частом использовании ботокс может вызвать местный паралич, выражающийся в опущении верхнего века или углов рта.

Сон нобелевского лауреата

Ботокс вызывает паралич в результате блокирования передачи электрических импульсов от нерва к мышце. Эти два типа клеток не связаны физически, и импульс не может преодолеть пространство, которое разделяет их. Поэтому сигнал от одной клетки к другой передает химический мессенджер, или медиатор (нейромедиатор). Передача информации от нервной клетки к мышечной клетке (или к другой нервной клетке) происходит в особых областях, называемых синапсами, где щель между двумя клетками очень мала – около одной стомиллионной части метра (примерно 30 нм[16]16
  Одна стомиллионная часть метра это 10 нм, что все же меньше, чем 30 нм. – Прим. науч. ред.


[Закрыть]). По очевидным причинам клетку в начале цепочки, которая выделяет медиатор (в нашем случае нервная клетка), называют пресинаптической клеткой, а ее цель – постсинаптической клеткой.

Окончание нервного волокна усеяно небольшими мембранными пузырьками (везикулами), наполненными нейромедиатором. В синапсе между нервом и мышцей нейромедиатором служит ацетилхолин, но для передачи информации между различными типами нервных клеток в головном мозге используется множество других химических веществ. Когда электрический импульс достигает нервного окончания, он заставляет везикулы выделять их содержимое в щель между двумя клетками. Нейромедиатор диффундирует через щель и присоединяется к рецептору на поверхности постсинаптической клетки, инициируя генерирование электрического импульса. В мышечной клетке такой импульс вызывает сокращение.

Процесс передачи информации от нерва к мышце с помощью химического вещества был открыт Отто Лёви, блестящим ученым, который проработал большую часть своей жизни в австрийском городе Граце. Он родился в 1873 г. во Франкфурте и поначалу больше интересовался рисованием, музыкой и философией, чем естественными науками, и хотел стать искусствоведом. Однако по настоянию домашних он поступил в высшее медицинское учебное заведение. Там Лёви быстро увлекся наукой. На протяжении всей жизни для него были характерными неистребимое жизнелюбие, страсть к исследованиям и чувство юмора. Даже в последние годы жизни он настаивал на том, что «волнение полезно ему».

В 1921 г. Лёви продемонстрировал, что в передаче электрических импульсов между нервными и мышечными клетками участвуют химические вещества. Он объяснял эту догадку озарением, которое пришло ему во сне. Вот, что он писал: «Ночью перед пасхальным воскресеньем в тот год я проснулся, включил свет и что-то нацарапал на небольшом клочке бумаги. После этого я снова уснул. Утром часов в шесть до меня дошло, что ночью я записал что-то очень важное, но не смог разобрать свои каракули. Следующей ночью в три часа эта идея вернулась. Она касалась эксперимента, позволяющего определить, правильной или неправильной была моя гипотеза химической передачи информации, высказанная 17 лет назад. Я тут же вскочил с постели и отправился в лабораторию и провел простой эксперимент на сердце лягушки точно так, как он привиделся мне ночью».

Лёви знал, что если электрическим разрядом возбудить нерв, управляющий сердцем лягушки, то ритм его сокращений должен замедлиться. Если, как он предположил, это связано с химическим медиатором, высвобождаемым из нервных окончаний, то химическое вещество должно попасть в жидкость, в которой находится сердце. Сначала во сне, а потом наяву Лёви увидел, как при погружении другого сердца в собранный раствор ритм его биения тоже замедляется. Это означало, что первое сердце выделяет растворимый химический медиатор, который затем действует на второе сердце.

Лёви назвал этот химический медиатор «вагусным веществом» (Vagus-stoff), поскольку его выделял блуждающий нерв (vagus), передающий сигналы сердцу. Сейчас мы знаем, что это ацетилхолин, как и предполагал Лёви. Он был слишком осторожным, чтобы публиковать непроверенные сведения, которые могли оказаться некорректными. Лишь в 1926 г. после многочисленных дополнительных экспериментов он пришел к выводу, что это может быть ацетилхолин. Лёви очень повезло, поскольку нерв, передающий сигналы лягушачьему сердцу, имеет два набора волокон: одни набор выделяет химическое вещество, замедляющее сердечный ритм (ацетилхолин), а другой – субстанцию (норадреналин), ускоряющее его. Частота, при которой Лёви стимулировал нерв, должна была в точности соответствовать той, что обеспечивает преобладание действия ацетилхолина. Здесь удача вновь сыграла ключевую роль в открытии.

В 1936 г. Лёви (вместе со своим другом детства британским ученым сэром Генри Дейлом) был удостоен Нобелевской премии. А всего два года спустя, 12 марта 1938 г., Германия вторглась в Австрию. Лёви в тот же день сказали, что нацисты оккупировали его страну, но его слишком занимали исследования, чтобы придавать значение этой новости. Свою ошибку он понял в 3:00 на следующее утро, когда десяток вооруженных штурмовиков ворвались в его дом и отправили ученого в тюрьму вместе с другими евреями. Не зная, что с ним будет, и ожидая расстрела в любой момент, Лёви изложил последние результаты исследований на открытке, указал на ней адрес научного журнала (Die Naturwissenshaften) и упросил часового бросить ее в почтовый ящик. Мысль о том, что результаты его исследований не будут потеряны, принесла ему облегчение.

Через два месяца Лёви выпустили из тюрьмы и позволили уехать из страны при условии, что он передаст все свое состояние нацистам, в том числе отдаст приказ шведскому банку в Стокгольме перевести денежное вознаграждение, причитавшееся нобелевскому лауреату, в подконтрольный нацистам банк в качестве выкупа. Он уехал в Англию без гроша в кармане.

Некоторое время Лёви прожил у Дейла в Лондоне, потом недолго поработал в Брюсселе и в Оксфорде, а в 1939 г. отправился на пароходе в США, чтобы занять должность профессора фармакологии на медицинском факультете Нью-Йоркского университета. Он прибыл в Нью-Йорк в июне 1940 г. в возрасте 67 лет, имея лишь въездную визу да справку о состоянии здоровья. Глядя на эту справку в ожидании приема у чиновника иммиграционной службы, он с ужасом обнаружил в ней приговор: «Глубокая старость, не способен зарабатывать на жизнь». К счастью, чиновник решил не обращать внимания на это сомнительное препятствие, и Лёви получил разрешение на жительство. Он никогда не сетовал на этот тяжелый период жизни. Более того, считал, что судьба была добра к нему, поскольку в США у него появилась возможность продолжить научную деятельность в таком возрасте, когда в Австрии вынуждают выходить на пенсию. На протяжении еще 21 года он передавал знания студентам, а летом был постоянным участником оживленных дискуссий в Лаборатории биологии моря в Вудс-Хоуле.

Подарок Гитлера

{10}10
  По иронии судьбы английское слово gift (подарок) означает в немецком языке «яд», и то, что было подарком Западу, оказалось ядом для Гитлера – изгнанные им ученые помогли союзникам победить в войне.


[Закрыть]

Сэр Генри Дейл был не только выдающимся ученым, но и мудрым, влиятельным и авторитетным выразителем взглядов научного сообщества, который пользовался глубоким уважением со стороны коллег. Высокий, душевный человек с обширными познаниями, он играл важную закулисную роль в спасении биологов-евреев, включая Лёви, из нацистской Германии. Он также активно участвовал в открытии процесса передачи информации между клетками с помощью химического вещества. Как и Лёви, Дейл всегда подчеркивал значение «счастливого случая» в своих исследованиях. Не менее важным, однако, было и его упорство. Участие Дейла в этой истории берет начало в 1913 г., когда он получил экстракт спорыньи (грибка) для рутинного тестирования. Этот экстракт обладал сильным и неожиданным физиологическим действием, которое заинтересовало ученого. С помощью строгих классических химических методов его коллега, химик Артур Эвинс, сумел выделить активное начало – им оказался ацетилхолин. Физиологическое действие ацетилхолина напоминало то, что возникало при возбуждении определенных нервов, и это привело Дейла к мысли о том, что если в тканях животных обнаружится ацетилхолин, то он будет хорошим кандидатом на роль нейромедиатора. Исследования были прерваны Первой мировой войной, когда Дейлу пришлось заниматься другими вопросами. Однако годы спустя ему все же удалось доказать, что ацетилхолин действительно естественным образом вырабатывается животными. Ацетилхолин был выделен из селезенки лошади.

Интерес Дейла к ацетилхолину снова вспыхнул, когда он узнал об эксперименте, увиденном Лёви во сне. И Дейл вознамерился выяснить, не ацетилхолин ли выделяется из нервных окончаний в месте контакта нерва и мышцы. Это была задача не для слабых духом, поскольку ацетилхолин выделялся в ничтожных количествах и, как заметил Дейл, имел бесконечно малое действие. Дейлу требовался высокочувствительный аналитический метод, и провидение в образе нацистов помогло ему в этом.

В 1933 г., вскоре после прихода к власти, Гитлер приказал уволить всех евреев, работавших в государственных учреждениях. Практически в одночасье большое число ученых лишилось работы. Уильям Беверидж, директор Лондонской школы экономики, подвигнул британских ученых не только принять план их спасения, но и поддержать финансово. Он также убедил Фонд Рокфеллера учредить для ученых-евреев специальный фонд, помогающий им перебраться в американские университеты. В результате многие евреи получили возможность эмигрировать в США и Великобританию. Это был огромный подарок Гитлера союзникам. Гитлер, по-видимому, не представлял себе их ценности – он заявил, что «если увольнение ученых-евреев уничтожит современную германскую науку, то мы несколько лет обойдемся и без науки». Такая политика оказалась самоубийственной.

Однако она сыграла на руку Дейлу. Вильгельм Фельдберг, разработавший аналитический метод для тонкого обнаружения ацетилхолина, вспоминает, как в 1933 г. он лишился своей должности в Институте физиологии в Берлине просто потому, что был евреем. Через несколько недель после этого он попытался получить помощь у представителя нью-йоркского Фонда Рокфеллера, который приехал в Берлин с целью спасения наиболее выдающихся ученых-евреев. Хотя этот человек и посочувствовал ему, он сказал: «Вы, Фельдберг, должны понимать, работы лишилось так много знаменитостей, которых надо спасать, что молодому человеку вроде вас вряд ли стоит рассчитывать на место в их списке. Но давайте я хотя бы запишу ваше имя. Кто знает, как все обернется». Услышав имя Фельдберга, он замялся, покопался в своих бумагах и радостно воскликнул: «Так вот же! У меня послание для вас от сэра Генри Дейла… Сэр Генри сказал мне, что если я вдруг встречусь с Фельдбергом в Берлине и если его уволили, то ему нужно передать, что его ждут в Лондоне»{11}11
  После окончания Второй мировой войны Фельдберг получил значительную сумму «в возмещение ущерба» от правительства Германии. Он использовал ее для создания фонда по укреплению взаимосвязей между немецкими и британскими учеными. Фонд ежегодно присуждает довольно большую премию, а также финансирует поездку одного британского ученого в Германию и одного немецкого ученого в Великобританию.


[Закрыть]. Фельдберг, не раздумывая, покинул Германию.

Методика Фельдберга позволяла проводить высокочувствительный биоанализ, который не только показывал, что ацетилхолин действительно выделяется при стимулировании нерва, возбуждающего мышцу, но и давал возможность измерять количество нейромедиатора. Это достигалось путем пропускания раствора вокруг нерва во время его стимулирования, сбора этого раствора, нанесения его на мышцу пиявки и измерения силы сокращения мышцы. Секрет успеха опыта с пиявкой заключался в использовании химического вещества (физостигмина), которое предотвращало разрушение ацетилхолина эндогенными ферментами, продлевая его «бесконечно малое действие». Именно за доказательство того, что ацетилхолин служит медиатором в нервно-мышечных синапсах, Дейл был удостоен Нобелевской премии вместе с Лёви в 1936 г. В своей речи при вручении награды Дейл предположил, что химическая передача информации может происходить не только в нервно-мышечных синапсах, но и в центральной нервной системе. Его слова оказались пророческими.

Война химического и электрического начал

Если Дейл склонялся к химической передаче информации, то эпатажный австралийский нейрофизиолог Джон Кэрью Экклс был в равной мере уверен в том, что информация передается с помощью электрических сигналов, поскольку, на его взгляд, передача в синапсах между нейронами происходит слишком быстро, чтобы быть химической. Это спровоцировало долгий спор, получивший название «война химического и электрического начал» и сильно ожививший прежде степенные заседания Физиологического общества. Молодой, легко загорающийся, не допускающий возражений и чрезвычайно энергичный Экклс отстаивал свои взгляды крайне горячо. Дейл, представитель аристократии и к тому времени член Королевского общества и лауреат Нобелевской премии, сохранял авторитетное спокойствие. Как бы то ни было, но на деле столкновение Дейла и Экклса было мнимым. Хотя их публичная полемика казалась резкой, напряженной и, для некоторых сторонних наблюдателей, абсолютно враждебной, их личные отношения были далеки от неприязни – они обменивались дружескими письмами и делились результатами исследований до их публикации. К тому же научные разногласия заставляли их искать дополнительные факты в подтверждение своих взглядов.

Экклсу не давала покоя длительность процесса замедления ритма биения сердца при стимуляции блуждающего нерва. Поскольку в этом процессе, как было известно из работы Лёви, участвовал химический медиатор, он заключил, что значительно более быстрая передача информации в синапсах между нервом и скелетными мышцами не может быть химической, а значит, должна быть электрической. Его возмущало предположение Дейла и Фельдберга о том, что ацетилхолин служит медиатором в нервно-мышечных синапсах. К 1949 г., однако, у Экклса накопилось достаточно фактов, говорящих о том, что передача информации в нервно-мышечных синапсах действительно является химической.

Впрочем, он не спешил делать выводы о том, что происходит в синапсах между нейронами в спинном и головном мозге. По его мнению, там все же могла преобладать электрическая передача информации. Решающий эксперимент, который положил конец спору, Экклс вместе с коллегами Джеком Кумбсом и Лоренсом Броком поставил в одну из ночей в середине августа 1951 г. в Данидине, Новая Зеландия. По словам Экклса, на этот эксперимент его натолкнул разговор с философом Карлом Поппером, который утверждал, что в науке доказать нельзя ничего, можно лишь опровергнуть. Поэтому Экклс загорелся идеей продемонстрировать, что передача нервных импульсов в центральной нервной системе не является электрической, и – к его безмерному удивлению – ему это удалось. Прорыв произошел потому, что группа исследователей использовала тончайшие микропипетки, которые вводили в нейроны спинного мозга для регистрации электрических сигналов в постсинаптических клетках при стимулировании нерва. Кумбс, инженер-электрик, сконструировал и собрал специальный прибор для стимулирования нейронов и регистрации сигналов в них. Экклс выстроил эксперимент так, чтобы кривая потенциала на самописце шла вниз, если передача была химической, и вверх – если электрической. Кривая пошла вниз, и Экклс был потрясен – его гипотеза электрической передачи информации была опровергнута. Эта ночь оказалась драматической и по другим причинам. Жена Кумбса родила дочь, и роды принимал Брок (врач), в то время как Экклс экспериментировал до самого утра.

Томас Хаксли[17]17
  Томас Хаксли (1825–1895) – английский зоолог, популяризатор науки и защитник теории Дарвина. – Прим. пер.


[Закрыть] однажды назвал «уничтожение прекрасной гипотезы всего лишь одним скверненьким фактиком» величайшей трагедией науки. Однако Экклс не скорбел об утрате своей идеи, а тут же написал Дейлу, что теперь и он убедился в химической природе передачи нервных импульсов. Дейл в ответ поздравил Экклса с прекрасными результатами и сухо выразил надежду на то, что «энтузиазм вновь обращенного не поставит никого из нас в неловкое положение». Позднее он написал, что обращение Экклса в сторонника гипотезы химической передачи информации было подобно обращению Савла на пути в Дамаск, «когда внезапно засиял свет, и пелена упала с его глаз»[18]18
  Один из эпизодов жития апостола Павла. – Прим. пер.


[Закрыть]. Способность быстро отказаться от своей гипотезы, когда данные неопровержимо говорят о ее ошибочности, – одна из самых сильных сторон научного подхода и показатель уровня ученого.