Роланд Глазер - Биология в новом свете

Однако не будем задерживаться на этом очень: специфическом виде работы биологической системы. Пойдем дальше. Об осмотических силах, действующих в живом организме, известно несколько меньше, чем об энергии механического движения. У растений; оба эти явления тесно связаны между собой. Движение листьев мимозы, поворот головки подсолнечника к свету, закрытие цветка вечером — все это механические движения, которые управляются гидравлически, то есть путем изменения содержания воды в некоторых тканях. Основой такого рода гидравлических процессов является движение воды под действием осмотического давления. Классический пример работы, производимой осмотическими силами, — подъем воды от корня растения к вершине. Осмотическую работу клетки можно наблюдать под микроскопом. Инфузории туфельки и другие одноклеточные, обитающие в пресных водах, обладают насосом, подобно аварийной помпе на корабле, предохраняющим их от переполнения водой. Но в отличие от корабля, который в нормальном состоянии водонепроницаем, инфузория наполняется водой непрерывно, так как внутри нее осмотическое давление ниже, чем в окружающей среде. Поступающая вода также непрерывно выкачивается звездчатой сократительной вакуолью. Кстати, это прекрасный пример динамического равновесия на клеточном уровне.

Работа осмотических сил у одноклеточных. Под действием градиента между внешней (π внеш ) и внутренней (π внутр ) средой вода непрерывно поступает через цитоплазматическую мембрану внутрь инфузории туфельки. Сократительные вакуоли собирают ее, а затем выкачивают

Не будем перечислять явления, связанные с процессами преобразования энергии. Их много, а лежащие в их основе механизмы большей частью неизвестны. Однако мы рассматриваем лишь основные принципы преобразования энергии в живом организме. В связи с этим нельзя не упомянуть об электрической энергии, которая наряду с химической играет совершенно особую и очень важную роль в биологических процессах. Здесь в первую очередь, естественно, вспоминаются электрические рыбы: электрический угорь, электрический сом или электрический скат, которые могут наносить чувствительные удары током и тем самым защищаться от врагов. Но каждый из нас имел возможность убедиться в существовании электрических полей и в своем собственном теле. Достаточно назвать ЭКГ — электрокардиограмму, описывающую изменение разности электрических Потенциалов между отдельными частями нашего тела, вызванное деятельностью сердца. Аналогичные электрические поля создают все работающие мышцы тела, а также мозг и органы чувств.

Электрические рыбы способны вырабатывать импульсы напряжением до нескольких сотен вольт. Такие напряжения они используют в первую очередь для защиты от врагов, поражая тех ударами током. Недавно стало также известно, что короткие электрические импульсы помогают рыбам ориентироваться в мутной воде

С помощью чувствительных электродов, толщина которых меньше микрометра (мкм), т. е. тысячной доли миллиметра, можно установить, что каждая живая клетка по отношению к внешней среде обладает определенным электрическим потенциалом. Он имеет отрицательное значение и по абсолютной величине оставляет 0,01-0,08 В. Изолятором между этими двумя полюсами (клеткой и внешней средой) служит клеточная мембрана. Это тончайшая, толщиной около 100 Å (0,00001 мм), похожая на мыльный пузырь структура, которая окружает каждую клетку. При возбуждении нервные клетки могут резко изменять величину или даже полярность электрического потенциала мембраны [8] Здесь имеется в виду разность потенциалов между внутренней и внешней поверхностями мембраны. — Прим. ред. . В результате возникают нервные импульсы — знаки своеобразной азбуки Морзе, с помощью которых осуществляется связь между органами тела. Однако этим еще далеко не исчерпывается значение электрического потенциала клетки. Под действием разности электрических потенциалов в чрезвычайно тонкой клеточной мембране, как внутри тонкого пластинчатого конденсатора, возникает сильное электрическое поле. Оно определяет свойства мембраны: ее проницаемость для различных веществ, работу ферментов внутри и в непосредственной близости от нее, а также многое другое.

Работающая сердечная мышца создает электрическое поле. Возникающие на поверхности тела электрические потенциалы можно обнаружить с помощью усилителя, чувствительность которого достигает 0,00001 В, и записать в виде электрокардиограммы. Такая электрокардиограмма позволяет врачу судить о работе нашего сердца

Таким образом, электрическая энергия в живых огранизмах имеет большое значение как носитель информации, необходимой для работы различных механизмов регуляции и управления. И лишь очень немногие организмы, например электрические рыбы, в процессе многовекового отбора выработали некий механизм, использующий энергию электрического импульса как оружие. В этом случае электрический разряд происходит в результате параллельного и последовательного включения многих элементарных "батарей". Конечно, заманчиво поближе познакомиться с природой таких электрических процессов. Каковы они? Как они возникают? Что ими управляет? Однако мы остановимся только на некоторых основных аспектах этой обширной темы.

Микроэлектрод, введенный в нервное волокно, дает возможность измерять электрический потенциал клетки. Такой 'потенциал покоя' равен примерно -50 мВ (1 мВ = 0,001 В). При возбуждении нервных клеток мгновенно возникает 'потенциал действия' и потенциал клетки становится положительным

Невольно напрашивается мысль снова провести аналогию с техникой. Мы уже упоминали об "азбуке Морзе биологической связи", "пластинчатом конденсаторе", "электронной обработке данных". Сейчас инженеры действительно очень интересуются этими вопросами, надеясь почерпнуть в живой природе новые идеи для усовершенствования электронных приборов. Следует, однако, указать на очень важное различие между электрическими явлениями в живых организмах и процессами, протекающими в электронных приборах. В электронике в качестве проводников электрического тока используют металлы или кристаллические полупроводники. Ток в них представляет собой поток электронов, т. е. мельчайших, почти не обладающих массой частиц. Биологические системы лишены металлических участков, у них обнаружены только небольшие области, где могут возникать такие же эффекты, как в органических полупроводниках. Следовательно, электрический ток в клетке не может быть потоком электронов, это должен быть ток, способный проходить через ионные растворы. Ионы, т. е. положительно или отрицательно заряженные атомы и молекулы, переносят заряды, создавая тем самым ток и электрические потенциалы. Основная роль в этом процессе принадлежит, естественно, самым маленьким, и, следовательно, самым быстрым ионам. Это ионы натрия, калия и хлора. Заметим, кстати, что в электронике тоже сплошь и рядом используют ионную проводимость. Хороший пример тому — электролитический конденсатор. На проводимости электролитических растворов основана специальная отрасль электроники, называемая хемотроникой.