Георгий Гамов - Мистер Томпкинс внутри самого себя

— Вам, несомненно, случалось бежать изо всех сил, или на длинную дистанцию, пока вы не начинали задыхаться и жадно глотать воздух. Даже после остановки вам не сразу удавалось успокоить дыхание, во время бега вы создаете кислородный дефицит — долг, который вам непременно нужно оплатить после снятия интенсивной нагрузки. И ваша саркоплазматическая сеть занимается улаживанием вашего долга.

Дело в том, что во время бега ваши митохондрии сжигают сахар так быстро, как только возможно, чтобы вырабатывать АТФ для ваших мышц. Но для этого митохондриям необходим кислород, а то количество кислорода, котороя доставляет кровь даже при усиленной работе сердца, недостаточно для выработки всей АТФ, необходимой вашим мышцам. И саркоплазматическая сеть обеспечивает временный выход из положения, как я уже говорил вам, в ней имеются ферменты, позволяющие без использования кислорода частично расщеплять сахар до стадии молочной кислоты. Это дает лишь У18 того количества АТФ, которое можно было бы получить при полном расщеплении сахара, но зато таких ферментов в саркоплазматической системе много, поэтому и сахара они расщепляют изрядное количество, а это в свою очередь означает, что и АТФ образуется немало. Таким образом, вы получаете возможность непродолжительное время бежать быстрее и дальше, чем позволяет то количество кислорода, которое могут обеспечить ваше сердце и кровь. Избыток молочной кислоты выводится из саркоплазматической сети в кровоток, но, разумеется, продолжаться долго так не может. Когда вы останавливаетесь, митохондрии поглощают молочную кислоту и обычным образом, с использованием кислорода, сжигают ее, расщепляя до двуокиси углерода и воды. Поэтому вы какое-то время тяжело дышите, оплачивая образовавшуюся задолженность по кислороду, а затем ваше дыхание успокаивается, и вы начинаете дышать, как обычно. Для банковского клерка такой приспособительный механизм не имеет особого значения, но если бы вам пришлось жить в джунглях, то способность организма «влезать в долги» по кислороду могла бы при определенных условиях оказаться жизненно важной.

— А о какой еще водопроводной системе вы упоминали? — спросил мистер Томпкинс.

— Эта система имеет отношение к проблеме, как заставить все фибрилы при получении нервного импульса сокращаться одновременно.

— Я всегда думал, что нерв представляет собой нечто вроде телеграфного провода, по которому из мозга поступают сигналы, говорящие телу, что ему делать, — заметил мистер Томпкинс.

— Если говорить о сигналах, то они действительно поступают из мозга по нервам, и в этом вы совершенно правы. Однако нервные волокна проводят сигнал совсем не так, как телеграфный провод. Последний получает подводимую к нему энергию на одном конце и доставляет то, что остается от этой энергии, к другому концу, нерв проводит только сигнал, но не энергию.

— Таким образом?

— Наглядно нерв можно представить в виде запального шнура, используемого в саперном деле. Вы поджигаете такой шнур с одного конца и детонация распространяется по нему, так как химическая энергия запасена в шнуре независимо от свойств первоначального сигнала, — пояснил Сент.

— Но запальный шнур годен для однократного использования. После того, как по нему проходит один-единственный импульс, он раз и навсегда выходит из строя.

— Правильно. Продолжая аналогию, можно сказать, что импульс пожирает запальный шнур, тогда как нерв после прохождения импульса восстанавливается и готов к проведению следующего импульса. В действительности происходит следующее. Поверхность нервной клетки покрыта тонкой мембраной, состоящей из белка и жира. И в этой оболочке имеются молекулярные насосы. Как они работают, доподлинно неизвестно, но мы знаем, что они перекачивают ионы натрия изнутри клетки наружу. В результате внутренность нерва приобретает отрицательный электрический заряд относительно наружной среды. Наглядно нервное волокно можно представлять как длинный цилиндрический конденсатор с отрицательным зарядом на внутренней обкладке и положительным — на наружной. Если нервное волокно раздражать с одного конца, то оно становится проницаемым для натрия, положительные и отрицательные заряды сходят, и электрическая поляризация на этом участке пропадает. Это вызывает аналогичный разряд на соседнем участке нервного волокна, от него — на следующем и т. д. В результате деполяризация распространяется по нервному волокну из конца в конец как детонация по запальному шнуру (см. рис. на следующей странице), это и есть нервный импульс. Но как только нервный импульс проходит, нервная клетка восстанавливает сопротивляемость своей мембраны, которая, используя энергию АТФ, перекачивает изнутри клетки наружу ионы натрия, создавая, как прежде разность потенциалов, и нерв обретает способность к проведению следующего импульса. Таким образом, нервный импульс хотя и является в определенном смысле электрическим импульсом, но сильно отличается от электрических импульсов, распространяющихся по медным телеграфным проводам.

— Но нервный импульс делает то же, что и электрический. Сигнал есть сигнал, — продолжал настаивать мистер Томпкинс.

— Да, но между нервным волокном и медным проводом есть еще одно различие. Медный провод передает сигнал, амплитуда, или величина, которого зависит от разности потенциалов на концах провода, нервное волокно действует иначе. Если возбуждение слишком слабо, то никакой сигнал по волокну не проходит, так как сопротивление мембраны не преодолено. Но стоит раздражению слегка превысить некоторый порог, как происходит разрядка «конденсатора», и по волокну передается максимальный сигнал. При дальнейшем усилении возбуждения амплитуда сигнала не увеличивается. Нервное волокно действует, как заряженный пистолет. Если вы нажали на курок недостаточно сильно, то выстрела вообще не будет. Если вы нажали на курок достаточно сильно, то произойдет выстрел. Но от того, что вы станете нажимать на курок сильнее, пуля быстрее не полетит. Существует и еще одно различие, после каждого импульса нервное волокно должно восстановить сопротивление своей мембраны, поэтому в течение примерно 1/1000 секунды оно утрачивает способность проводить нервные импульсы. Максимальная скорость передачи импульсов по нервному волокну составляет около 1 000 импульсов в секунду.

Деполяризация распространяется по нервному волокну, как детонация по запальному шнуру

В результате всего этого нерв в действительности передает информацию с помощью частотной модуляции, или ЧМ. Иначе говоря, существенны не величина, или амплитуда нервных импульсов, а число импульсов, передаваемых в секунду. Амплитуда всегда одна и та же.