Вопрос о существовании «животного электричества»

Наука и жизньНаука

Электрические кабели живых клеток

Кандидат физико-математических наук Василий Птушенко

Серия рисунков из книги Луиджи Гальвани «Трактат о силах электричества при мышечном движении» (1791), иллюстрирующих различные схемы экспериментов с препарированными лапками лягушки, Лейденскими банками и другим лабораторным оборудованием того времени.

В ходе развития научных представлений о мире подчас обнаруживается много общего между явлениями и закономерностями, относящимися, казалось бы, к разным областям знания. В результате удаётся установить универсальные законы природы. В качестве наиболее известных примеров можно вспомнить установление единства законов «земного» и «небесного» мира благодаря исследованиям Кеплера, Галилея, Ньютона; установление общности электрических, магнитных и оптических явлений трудами Эрстеда, Фарадея, Максвелла и других учёных; поиски единства принципов протекания электромагнитных и механических явлений, которые привели к созданию специальной теории относительности.

Важную страницу в истории науки составили поиски единства законов живой и неживой природы. Одним из вопросов, который стал ключевым на долгое время, оказался вопрос о существовании «животного электричества». Обнаружил это явление в 1786 году Луиджи Гальвани, экспериментируя с сокращениями лапки лягушки.

Гальвани полагал, что мышца лапки лягушки — источник электрического тока. Его открытие оспорил Алессандро Вольта, показав, что в опытах Гальвани источником электрического тока были металлы, соединявшие разные участки лапки. Спустя почти полвека, в конце 1830-х годов, Карло Маттеуччи доказал правоту Гальвани. Почти в то же время Майкл Фарадей показал, что электричество, которое вырабатывается электрическими органами скатов, ничем не отличается от электричества, генерируемого известными к тому времени «физическими» способами — гальваническими элементами или трением. Последующая вековая история исследований электричества в живых организмах, включая исследования Эмиля Дюбуа-Реймона и Германа Гельмгольца, Юлиуса Бернштейна и Лудимара Германа и ряда других учёных, привела к пониманию физических механизмов образования и распространения электрических потенциалов в живых клетках. Стало ясно, что носители электрического тока — ионы, содержащиеся в цитоплазме клеток и в окружающей их среде, а место возникновения электрического потенциала — мембрана клетки.

Мембрана, образованная в первую очередь липидами, сама по себе непроницаема для ионов, поэтому служит хорошим изолятором. В то же время в этот липидный слой встроены белки, некоторые из них могут образовывать поры для ионов (называемые ионными каналами и, как правило, регулируемые) и позволять им перейти на другую сторону мембраны или же, наоборот, активно перекачивают их с одной стороны мембраны на другую (ионные помпы). Работа ионных помп приводит к образованию разности электрических потенциалов между цитоплазмой клетки и окружающей средой. Этот потенциал может распространяться и на соседние участки мембраны, а также регулировать работу других её белков. Изучение ионных каналов и насосов позволило в итоге построить математическую модель генерации и распространения нервных импульсов (так называемых потенциалов действия) по мембранам нервных клеток, что стало триумфом электробиологии. За построение этой модели к 1952 году англичане Алан Ходжкин и Эндрю Хаксли были удостоены Нобелевской премии 1963 года (вместе с австралийским нейрофизиологом Джоном Экклсом).

Но...

Мембранная энергетика живых клеток

Спустя всего несколько лет стало ясно, что в этой детально изученной картине ещё остаются большие белые пятна. Дело в том, что объектом всех исследований, проведённых к тому моменту, была внешняя мембрана клетки — так называемая плазматическая, или клеточная мембрана. И все представления о клеточном электричестве оказались связаны именно с ней. Но кроме плазматической мембраны в клетке имеется ещё множество внутренних мембран. В 1960-х годах предметом особого интереса исследователей стали мембраны митохондрий. Митохондрии — органеллы клетки, играющие роль её тепловых электростанций: в них происходит окисление (то есть, по сути, медленное сгорание) органических веществ, в результате которого образуется энергия, непосредственно используемая клеткой во множестве «энергоёмких» процессов (илл. 1). Основная форма этой энергии, которая была к тому времени известна, — это энергия молекулы аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). По сути — это тоже химическая энергия, только в более унифицированной и удобной для использования клеткой форме, чем она была в исходном органическом «топливе» митохондрий. То есть АТФ можно назвать энергетической валютой клетки, имеющей химическую природу. В этом отношении сравнение митохондрии с электростанцией, где происходит преобразование химической энергии в электрическую, оставалось не совсем точным.

Илл. 1. Схематичное изображение митохондрии. Во внутренней мембране содержатся белки дыхательной цепи, образующие на ней разность электрических потенциалов. Рисунок: Kelvinsong; Sowlos/Wikimedia Commons/CC BY-SA 3.0 (с изменениями).

Однако детальные исследования процессов, происходящих в митохондриях, показали, что АТФ — не единственная и даже не первая форма энергетической валюты, образующаяся в митохондриях при окислении органического субстрата. Первая же — электрическая энергия, запасённая в форме разности электрических потенциалов между двумя сторонами внутренней митохондриальной мембраны (у митохондрии их две, внешняя и внутренняя)! Несмотря на то, что существование аналогичной разности потенциалов на плазматической мембране клетки было уже хорошо известно и общепризнанно (выше мы упомянули о Нобелевской премии, присуждённой А. Ходжкину, Э. Хаксли и Дж. Экклсу, которая отражала это признание), гипотеза о «митохондриальном электричестве», выдвинутая в 1961—1966 годах английским биохимиком Питером Митчеллом и получившая название хемиосмотической гипотезы, первоначально встретила столь же острое неприятие, как в своё время гипотеза «животного электричества» Гальвани. Но ей повезло больше: уже через несколько лет, в 1969 году, гипотеза о «митохондриальном электричестве» была доказана биохимиком Владимиром Скулачёвым, биофизиком Ефимом Либерманом и их коллегами.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Учимся понимать наши растения Учимся понимать наши растения

Легко прочитать, как именно надо ухаживать за цветком, но почему именно так?

Наука и жизнь
На два фронта: как технологии поддерживают неравенство и помогают бороться с ним На два фронта: как технологии поддерживают неравенство и помогают бороться с ним

Многие люди с детства оказываются лишены знаний о цифровой среде

Forbes
О чём пишут научно-популярные журналы мира О чём пишут научно-популярные журналы мира

Сколько деревьев должно быть в городе и друг ли нам автомобиль

Наука и жизнь
«Няни особого назначения»: как построить бизнес паллиативной помощи «Няни особого назначения»: как построить бизнес паллиативной помощи

Как Евгений Глаголев решил заняться проектом по поиску нянь для особенных детей

Inc.
Что скрывается за модным словом «роялти» ? Что скрывается за модным словом «роялти» ?

Пассивный доход на интеллектуальной собственности: как работает роялти?

Наука и техника
Может ли нам быть хорошо, когда все плохо? Может ли нам быть хорошо, когда все плохо?

Как сохранить хорошее настроение, если события внушают тревогу?

Psychologies
«Он спас меня от неудачного свидания»: 7 историй необычных знакомств «Он спас меня от неудачного свидания»: 7 историй необычных знакомств

Истории героинь, которые нашли любовь там, где не ждали

Psychologies
Кости животных указали на круглогодичное заселение датского острова в эпоху мезолита Кости животных указали на круглогодичное заселение датского острова в эпоху мезолита

Археологи проанализировали фаунистические материалы со стоянки Редхалс

N+1
Флаги: под Южным Крестом Флаги: под Южным Крестом

На флагах нескольких стран присутствует изображение созвездия Южный Крест

Вокруг света
Нервничаешь из-за новой работы? 4 стратегии борьбы с тревогой Нервничаешь из-за новой работы? 4 стратегии борьбы с тревогой

Путь к успешному и уверенному первому дню на новом месте

Playboy
Оценка первого «единорога» в портфеле «Роснано» выросла до $2 млрд Оценка первого «единорога» в портфеле «Роснано» выросла до $2 млрд

Новосибирский производитель графеновых нанотрубок привлек $100 млн инвестиций

Forbes
Чек-лист путешественника: что обязательно нужно взять в летнюю поездку Чек-лист путешественника: что обязательно нужно взять в летнюю поездку

Рекомендации и готовые списки для поездок на море и в горы

Вокруг света
Как выбрать видеокарту для компьютера: практические рекомендации Как выбрать видеокарту для компьютера: практические рекомендации

Как правильно подобрать видеокарту, чтобы ее возможностей хватило с запасом

CHIP
Оксана Лаврентьева — о бренде OLOLOL, закрытии «Русмоды» и женской силе Оксана Лаврентьева — о бренде OLOLOL, закрытии «Русмоды» и женской силе

Оксана Лаврентьева рассказала все, что надо знать о бренде OLOLOL

РБК
Генерал на поле битвы с мифами: как Глория Стайнем боролась за равноправие полов в США Генерал на поле битвы с мифами: как Глория Стайнем боролась за равноправие полов в США

«Самая известная феминистка в мире» — так называют журналистку Глорию Стайнем

Forbes
Антропологи выявили различия в питании у жертв извержения Везувия Антропологи выявили различия в питании у жертв извержения Везувия

Древние мужчины потребляли больше диетического белка из дорогой морской рыбы

N+1
Краткая история школьной формы в СССР Краткая история школьной формы в СССР

Внимание! При прочтении возможны неконтролируемые приступы ностальгии

Maxim
Не только Nirvana: 5 обложек известных альбомов, за которые дети тоже могут подать в суд Не только Nirvana: 5 обложек известных альбомов, за которые дети тоже могут подать в суд

Самые опасные кадры с пластинок

Maxim
Генри Форд, король всея Америки Генри Форд, король всея Америки

Генри Форд и переворот в автомобильной промышленности

Вокруг света
Технологии российского кино, которые удивили мир Технологии российского кино, которые удивили мир

Стремительный технологический прорыв совершили четыре российских фильма

Популярная механика
С Рианной, но без Риз Уизерспун: кто вошел в американский рейтинг богатейших self-made женщин Forbes С Рианной, но без Риз Уизерспун: кто вошел в американский рейтинг богатейших self-made женщин Forbes

Седьмой ежегодный список самых богатых женщин Америки

Forbes
Роковые пари: как публичные споры миллиардеров отражаются на заработках инвесторов Роковые пари: как публичные споры миллиардеров отражаются на заработках инвесторов

На финансовом рынке можно и нужно ставить на все активы сразу

Forbes
Из цинка и серебра сделали растворимую плату для умных часов Из цинка и серебра сделали растворимую плату для умных часов

Ученые разработали проводящие чернила для перерабатываемых печатных плат

N+1
Гагарин нового времени: как 24-летний призер Олимпиады стал предпринимателем Гагарин нового времени: как 24-летний призер Олимпиады стал предпринимателем

История Никиты Нагорного — гимнаста-предпринимателя

Forbes
«Мой муж проводит в туалете подозрительно много времени» «Мой муж проводит в туалете подозрительно много времени»

Почему мужчины так любят надолго запираться в туалете?

Psychologies
Сбывшийся сон князя Гедимина: 7 фактов о Вильнюсе Сбывшийся сон князя Гедимина: 7 фактов о Вильнюсе

Вильнюс полон разных тайн, но готов раскрыть их желающим

Вокруг света
Лада Пузыревская. Я тебя выведу: помогать детям, за которыми «не стоит очередь» Лада Пузыревская. Я тебя выведу: помогать детям, за которыми «не стоит очередь»

Девять лет назад Лада Пузыревская оставила блестящую бизнес-карьеру

Домашний Очаг
5 рабочих ситуаций, когда нам помогает опыт материнства 5 рабочих ситуаций, когда нам помогает опыт материнства

Многие работодатели ошибочно считают, что материнство мешает в рабочих процессах

Psychologies
Морщины, синяки, неровности: рассматриваем вблизи лица королевских особ Морщины, синяки, неровности: рассматриваем вблизи лица королевских особ

Изучаем на короткой дистанции лица представительниц королевских семей

Cosmopolitan
Алена Свиридова — о музыке, зумерах и дичи, которой иногда не хватает Алена Свиридова — о музыке, зумерах и дичи, которой иногда не хватает

Алена Свиридова рассказала о своем отношении к жизни и музыке

РБК
Открыть в приложении