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

Иллюзия успеха Иллюзия успеха

Четыре истории о талантливых мастерах пускать пыль в глаза

Популярная механика
Первый, кто признал себя вассалом Батыя Первый, кто признал себя вассалом Батыя

Правда ли, что князь Ярослав Всеволодович был «негодяем из негодяев»

Дилетант
«Маленький колодец»: под холмом в Ираке открыт новый город «Маленький колодец»: под холмом в Ираке открыт новый город

Совместная российско-иракская экспедиция работает на городище Телль Дехайла

Наука и жизнь
Каким получился новый роман Виктора Пелевина «Transhumanism Inc.» Каким получился новый роман Виктора Пелевина «Transhumanism Inc.»

Почему поздний Пелевин оказался созвучен депрессивному 2021 году

РБК
11 способов становиться немного умнее каждый день 11 способов становиться немного умнее каждый день

Интеллект, как и тело, требует правильного питания и регулярных тренировок

Psychologies
«Переработка энергии солнца»: как попасть в Forbes благодаря веганским креветкам «Переработка энергии солнца»: как попасть в Forbes благодаря веганским креветкам

Биологи основали компанию New Wave Food, чтобы спасти мангровые леса

Forbes
Остров Остров

Прошлое острова Диксон – это освоение Северного морского пути и наука

Вокруг света
Надежда Микулич. Молодость моя, Надежда Микулич. Молодость моя,

Надежда Микулич. Творческий путь в ансамбле "Верасы"

Коллекция. Караван историй
Уроки на экваторе Уроки на экваторе

Месяц в деревне в Кении глазами волонтера-учительницы из России

Вокруг света
История изобретения: кольцо на консервной банке История изобретения: кольцо на консервной банке

Как появилось кольцо на консервной банке?

Вокруг света
Используй ложку и телефон: 20 способов доставить себе удовольствие Используй ложку и телефон: 20 способов доставить себе удовольствие

Двадцать разных способов мастурбации на любой вкус и цвет

Cosmopolitan
Это фантастика: как разработчик крошечных роботов-хирургов собирается выйти на доход в $1 млрд Это фантастика: как разработчик крошечных роботов-хирургов собирается выйти на доход в $1 млрд

Как Vicarious собирается покорить рынок хирургической техники?

Forbes
На границе двух миров На границе двух миров

Порой они кажутся стражами, охраняющими прибрежную полоску песка

Наука и жизнь
Проблемы роста. 7 уроков, которые мы усвоили при расширении команды Проблемы роста. 7 уроков, которые мы усвоили при расширении команды

Пандемия вынудила Educate Online сменить бизнес-модель

Inc.
Погружение в Африку Погружение в Африку

Маршрут доктора Дэвида Ливингстона вглубь Африки спустя 160 лет

Вокруг света
Брюс Уиллис и Мила Йовович: какие мировые звезды снимались в российской рекламе Брюс Уиллис и Мила Йовович: какие мировые звезды снимались в российской рекламе

Брюс Уиллис сыграл спецагента в новом рекламном ролике «МегаФона»

Forbes
ЧВК «Рюрик» ЧВК «Рюрик»

Около 838 года в поле зрения Византии попали люди, называвших себя русами

Дилетант
​​Эмоции как лучший косметолог ​​Эмоции как лучший косметолог

​​Сохранить молодость поможет не только жизнерадостность, но и негативные эмоции

Лиза
Шпион, пришедший с неба Шпион, пришедший с неба

В истории холодной войны начиналась новая, очень динамично написанная страница

Дилетант
Верь в себя как никто Верь в себя как никто

Артистка лейбла Black Star Анет Сай уверенными шагами идет к мечте

OK!
Лошадь, которой нет Лошадь, которой нет

В центрах реинтродукции лошади Пржевальского занимаются исправлением ошибок

Вокруг света
Планета-океан: что обнаружили астрономы недалеко от Солнца Планета-океан: что обнаружили астрономы недалеко от Солнца

В 35 световых годах от Земли находится удивительная планетная система L 98-59

Forbes
«Найди мне папика-сабмиссива»: как живется элитному свату в Гонконге «Найди мне папика-сабмиссива»: как живется элитному свату в Гонконге

Джей Джей Ву Чанг помогает безумно богатым азиатам найти свою вторую половинку

Cosmopolitan
Как быстро сжечь висцеральный жир: новое открытие принесло больше вопросов, чем ответов Как быстро сжечь висцеральный жир: новое открытие принесло больше вопросов, чем ответов

Открыта цепочка команд, которая управляет метаболизмом висцерального жира

Популярная механика
Приятного аппетита, маглы! Рецепты из Приятного аппетита, маглы! Рецепты из

Рецепты Сливочного пива, зелья Феликс Фелицис и любимого чая Дамблдора

Esquire
Считаем калории при беременности: сколько необходимо? Считаем калории при беременности: сколько необходимо?

Как рассчитать потребность в калориях во время беременности

9 месяцев
Жизнь — игра, а ты в ней просто функция: о чем комедия «Главный герой» с Райаном Рейнольдсом Жизнь — игра, а ты в ней просто функция: о чем комедия «Главный герой» с Райаном Рейнольдсом

Как это детское на вид кино говорит о взрослых вещах

Forbes
Блюда из культовых фильмов и сериалов, которые можно приготовить дома Блюда из культовых фильмов и сериалов, которые можно приготовить дома

Блюда для тех, кто хочет погрузиться в атмосферу на все 100%

Playboy
От «песочницы» до «фабрики» идей От «песочницы» до «фабрики» идей

Как крупный бизнес строит сотрудничество со стартапами

РБК
Евгения Добровольская. От комедии до трагедии и обратно Евгения Добровольская. От комедии до трагедии и обратно

Евгения Добровольская о большой семье

Коллекция. Караван историй
Открыть в приложении