Георгий Гамов - Мистер Томпкинс внутри самого себя

Если нерв передает мышце сигнал сократиться сильнее, то сигналы к мышце поступают чаще, а не с большей амплитудой.

— Мне почему-то кажется, — сказал мистер Томпкинс. — что нервные волокна сплетаются на концах, образуя более длинные нервные «провода».

— Сплетение концов достигается химическим путем, — пояснил Сент. — На конце нервного волокна имеются крохотные химические заводы, которые выделяют некоторое вещество, когда импульс достигает их. Это вещество стимулирует следующее нервное волокно и т. д.

Соединение двух нервных волокон называется синапсом. Аналогичные соединения существуют между нервами и мышцами, а также между нервами и другими органами. Эти соединения играют очень важную роль, и южноамериканские индейцы исследовали их давным-давно.

— Вы действительно считаете, что индейцы проводили научные исследования? — удивился мистер Томпкинс.

— В каком-то смысле да. Индейцев интересовала практическая проблема, как парализовать мышцы животных, на которых они охотились, и индейцы открыли вещество растительного происхождения, известного под названием кураре. Если наконечник стрелы намазать кураре, то такая стрела, попав в добычу, парализует ее, а зачастую жертва погибает, так как мышцы, участвующие в процессе дыхания, перестают функционировать. Исследования кураре оказались очень ценными для нас, так как позволили понять, как нерв стимулирует мышцу. Интересно, что в действительности кураре не лишает мышцу способности сокращаться. В этом нетрудно убедиться, раздражая кураризированную мышцу слабым электрическим током. Кураре не мешает нервному импульсу распространяться по нервному волокну, а нервному окончанию — выделять вещество, стимулирующее мышцу. Оно, так сказать, оглушает ту часть мышечной клетки, которая чувствительна к стимулирующему химическому веществу. Иногда кураре используют в медицинских целях, когда возникает необходимость временно лишить ту или иную мышцу способности двигаться.

— Если нерв выделяет вещество, стимулирующее работу мышцы, — спросил мистер Томпкинс, — то что заставляет мышцу перестать сокращаться? Может быть, существует какое-то другое вещество, действующее, как тормоз, и говорящее мышце «стоп»?

— Нет, — отозвался Сент, — существует фермент, который разрушает стимулирующее вещество менее чем за У10оо долю секунды, а потом все готово повториться с начала. Этот эффект также имеет «практическое» приложение, но на этот раз открытие совершили не южноамериканские индейцы, я имею в виду так называемые нервно-паралитические отравляющие вещества, разработанные для использования в химической войне. Они предотвращают действие фермента, о котором я только что упомянул. Все нервные окончания переполняются стимулирующим веществом, и жертва погибает в судорогах. Как вы видите, применение науки на благо человечества поистине неисчерпаемо.

Мистер Томпкинс услышал в голосе Сента саркастические нотки и решил переменить тему разговора.

— Как быстро распространяется нервный импульс? —поинтересовался он.

— Скорость нервного импульса варьируется в широких пределах, — последовал ответ Сента, — и зависит главным образом от толщины нервного волокна и от того, покрыто ли оно жировой оболочкой (вещество, из которого состоит оболочка, мы называем миелином). В самых толстых нервных волокнах, покрытых миелиновой оболочкой, скорость распространения нервного импульса достигает почти 90 м/с, но в некоторых таких волокнах может составлять всего лишь около 0,5 м/с, или, с круглым числом, — от 16 до 320 км/ч. Это весьма невысокие скорости, и иногда из-за них для организма могут возникать кое-какие

проблемы. В некоторых случаях очень важно, чтобы все части мышцы сокращались одновременно. Загляните, пожалуйста, вон в те большие аквариумы. Там у дна вы увидите весьма интересных животных.

Они называются кальмарами. Это настоящие изобретатели реактивного двигателя. Тело кальмаров окружено мышечной оболочкой, называемой мантией. Когда мантия сокращается, поток воды выбрасывается в одну сторону, а кальмар получает толчок и начинает двигаться в противоположную сторону. Ясно, что все части мантии должны сокращаться по возможности почти одновременно, тогда сигнал на сокращение поступает из одной точки — мозга кальмара, нервный импульс, стимулирующий мышцы мантии, должен распространяться быстро, и поэтому у кальмара очень толстые нервные волокна, ведущие от мозга к мантии. У таких нервных волокон очень крупные клетки, и изучать их гораздо легче, чем изучать обычные нервные волокна. Поэтому в нашей лаборатории так много кальмаров — их очень любят мои коллеги— нейрофизиологи.

Но это возвращает нас к нашему вопросу: как вы заставляете сокращаться не только всю мышцу целиком, но и все фибриллы отдельной мышцы одновременно? Если бы импульсы достигали различных точек мышцы не одновременно, то ничего путного из этого бы не вышло, так как одни фибриллы заканчивали бы сокращения, другие только начинали бы сокращаться, а третьи расслаблялись после сокращения. Во всяком случае такая схема заведомо не подходит для мышцы, которая должна действовать быстро.

Теперь мы знаем, что замечательным свойством проводить электрический импульс через мембрану обладает не только нервная клетка.

Это свойство присуще всем клеткам, но нервные клетки проводят электрический импульс через мембрану лучше и быстрее. Поэтому когда поступает нервный импульс, он порождает на поверхности мышечной клетки электрическую волну, которая распространяется в точности так же, как по поверхности нервной клетки. Но теперь сигнал должен достичь миофибрилл и передать им команду сократиться. Это делается с помощью другой водопроводной системы, которая называется поперечной, или косой. Поверхность мышечной клетки неровная, и выступы и зазубрины образуют тончайшие трубочки, идущие от поверхности клетки к Z-линиям миофибрилл. Мышечная клетка вся пронизана такими каналами помимо каналов саркоплазматической сети. Распространяясь по поверхности мышечной клетки, сигнал попадает в каналы поперечной системы и достигает темной линии, которая называется Z-линией. Только дойдя до Z-линии, сигнал может вызвать сокращение миофибрилл. Замечу кстати, что Z-линия состоит из белка, который называется тропомиозином и играет роль нити, связывающей пучок мышечных волокон.

— Вы говорите, что сигнал вызывает сокращение миофибрилл. А что при этом происходит?

— Точный ответ на этот вопрос нам пока неизвестен. Наиболее вероятная догадка заключается в том, что когда электрический импульс достигает Z-линии, кальций вокруг миофибрилл высвобождается и запускает расщепление АТФ подобно тому, как искра от свечи зажигает бензин в цилиндре двигателя. Волокна соскальзывают друг по другу, и мышца сокращается. В другой водопроводной системе, о которой мы уже упоминали (напомню, что она называется саркоплазматической сетью), содержится вещество, которое называется расслабляющим фактором и обладает сильным сродством к кальцию. Оно быстро впитывает кальций, волокна соскальзывают в исходное положение, и мышца расслабляется. По крайней мере, так считают некоторые физиологи.