Фрэнсис Эшкрофт - Искра жизни. Электричество в теле человека
Современные научные знания позволяют очень легко объяснить результаты экспериментов Гальвани и его коллег. Клетки организма не умирают в тот же момент, когда животное (или человек) делает последний вздох. Именно поэтому возможна пересадка органов одного человека другому, а переливание крови дает результат. Если многоклеточный организм не разорван на мелкие клочья, его смерть редко наступает мгновенно. Это постепенный процесс — многоэтапное угасание. Клетки нервной и мышечной ткани остаются живыми еще некоторое время после смерти человека, и их можно «анимировать» с помощью электричества. Электрический разряд, который возбуждает наши нервные волокна и заставляет управляемые ими мышцы сокращаться, точно так же действует и на нервы трупа. На деле эксперименты Юра и Альдини дают ясное представление о том, какими мышцами управляет тот или иной нерв. Понятно, что реакция будет тем вероятнее, чем меньше времени пройдет с момента смерти. Эпоха чудес
К концу XVIII в. люди уже умели генерировать электричество, аккумулировать его и передавать по проводам на значительные расстояния. Его удивительные свойства интриговали ученых и стимулировали исследования. Культура эпохи Просвещения с присущим ей стремлением к популяризации научных достижений требовала организации зрелищных представлений, которые пробуждали интерес в более широком сообществе. Публичные лекции директора Королевского института в Лондоне Майкла Фарадея были настолько популярными среди аристократии, что на Албемарл-стрит возникала пробка, когда экипажи развозили слушателей. Это заставило власти сделать ее первой улицей в городе с односторонним движением.
Широко пропагандировалось использование электричества для лечения всех видов недугов, как отмечено в главе 12. Молниеотводы и первые электрические батареи представляли другие направления практического применения электричества и возвещали начало новой эры электричества. Однако возможности, открываемые электричеством, производили впечатление не на всех. Лабораторию Фарадея однажды посетил Уильям Гладстон, канцлер казначейства в то время. Он молча посмотрел на сложные электрические устройства ученого и сказал: «Все это очень любопытно, мистер Фарадей, однако имеют ли они практическое значение?» Фарадей за словом в карман не полез, он ответил: «Сэр, я не знаю, для чего именно будут использоваться эти машины, но уверен, что когда-нибудь вы станете облагать их налогом».
Помимо этого признание получила возможность стимулирования нервных и мышечных волокон электрическим разрядом. Хотя идею Гальвани о животном электричестве и поставили под сомнение, она не лишилась сторонников, поскольку с глубокой древности люди знали, что некоторые рыбы способны поражать добычу и врагов электрическим разрядом. К тому же в 1797 г. молодой ученый и исследователь Александр фон Гумбольдт установил, что правильны представления и Гальвани, и Вольта, и предположил, что сокращение мышечной ткани должно вызываться электрическим разрядом от управляющего ею нерва. В этом свете до идеи о том, что с помощью гальванизма можно оживить какое-нибудь мертвое существо наподобие франкенштейновского монстра, был всего лишь один шаг. Возможность регистрировать токи, связанные с нервной и мышечной деятельностью, и понять механизмы этой деятельности, появилась, однако, только с созданием соответствующей измерительной аппаратуры и с получением более глубоких представлений о природе самого электричества.
Глава 2 Молекулярные поры
Американский скакун
По кличке Импрессив,
Свинья, которую трясет лихорадка,
Стадо коз в Техасе, и кто-то
Из вас в первом ряду
Со своими пороками
Вздрогнут,
Почувствуют трепет в ионных каналах,
Увидев, как я падаю в бездну.
Джо Шапкотт. Рассуждения
Во время устного экзамена в Оксфордском университете примерно в 1890 г. студента спросили, может ли он объяснить феномен электричества. Тот, запнувшись, ответил, что знал это, но забыл. «Какая жалость! — заметил экзаменатор. — Доселе всего лишь двое знали, что такое электричество: Создатель и вы. А теперь остался один».
Сегодня все мы хорошо знакомы с электричеством, поскольку именно оно обеспечивает энергией наше индустриальное общество. Почти все, что мы используем, — транспорт, осветительная и коммуникационная аппаратура, в том числе и компьютер, на котором я набираю эти строки, приводится в действие электричеством. Намного менее известен тот факт, что мы тоже являемся своего рода электрическими машинами и что электрический ток лежит в основе самой жизни. Этот ток, в свою очередь, возникает в процессе функционирования ионных каналов. Чтобы понять, как связаны эксперименты Гальвани с лягушачьими лапками с нашей способностью лечить расстройства электрической активности организма вроде эпилепсии или неонатального диабета, которым страдает Джеймс, нужно выяснить, что такое ионные каналы и какова их роль в электрических процессах в клетках.
Более полутора столетий после Гальвани ученые искали методы измерения электрических импульсов нашей нервной системы и пытались понять, что они означают. Еще больше времени потребовалось для обнаружения ионных каналов, которые отвечают за электрическую активность, однако их открытие перевернуло наши представления. Идеи, которые я пыталась постичь в студенческие годы и которые не раз были причиной бессонных ночей (особенно накануне экзаменов), вдруг обрели предельную ясность. В этой главе мы перенесемся в сегодняшний день и познакомимся с современными представлениями о работе ионных каналов. Сначала, однако, полезно дать определение электричеству и понять, чем электричество в наших головах отличается от электричества в розетке. Святая троица
Электричество представляет собой форму энергии, связанную с электрическим зарядом — одним из фундаментальных свойств внутриатомной материи. Электрический ток, который течет по проводам в наших домах — и по нашим нервным волокнам, — описывается количественно с помощью трех базовых единиц: ампера (А), вольта (V) и ома (Ω). Они названы так в честь трех выдающихся европейских физиков XVIII в.: француза Андре Мари Ампера, итальянца Алессандро Вольта и немца Георга Ома. Ток измеряют в амперах, сопротивление току — в омах, а напряжение, силу, которая вызывает электрический ток, — в вольтах.
Законы течения электричества через проводник нередко объясняют с помощью аналогии — законов течения воды в трубе. Ток зависит от интенсивности движения потока заряженных частиц, при этом одному амперу соответствует прохождение примерно шести квинтиллионов (6 × 1018) частиц в секунду.
Сопротивление — это мера легкости или затрудненности потока. Сужение в трубе ограничивает поток воды, а увеличение диаметра трубы приводит к усилению ее потока. В электрической цепи материалы, которые обладают низким сопротивлением току, например металлы, называют проводниками, а материалы, препятствующие течению электричества, например бумагу или воздух, называют изоляторами. Прикоснитесь к оголенному проводнику электрической изгороди — и вы получите неприятный удар током, а прикосновение к изолированной ручке на калитке в этой изгороди ничем вам не грозит.
Напряжение между двумя точками эквивалентно перепаду давления, которое заставляет воду течь из одного места в другое. По существу это сила, которая создает электрический ток. Его также называют разностью электрических потенциалов (или просто потенциалов). Если две точки не соединены друг с другом, то вода не будет течь между ними. Аналогичным образом электрический ток течет только тогда, когда цепь замкнута. Именно поэтому между грозовой тучей и землей может возникать огромное напряжение, но ток не будет течь до тех пор, пока молния не пробьет разделяющий их слой воздуха. Это также объясняет, почему электроны не движутся по проводнику, пока электрическая цепь не замкнута, иными словами, почему ваша настольная лампа не горит до тех пор, пока вы не нажмете на выключатель, связывающий провода. Точно так же, как повышение давления усиливает течение воды, повышение напряжения увеличивает ток. При повышении подаваемого на лампу напряжения, например, лампа светит ярче.
Земля имеет наименьший потенциал, поэтому ток, как и вода, которая течет в сторону более низкой точки, всегда течет в направлении земли[8]. Люди обнаружили это давно. В 1785 г. Жозеф-Эньян де Лафон был озадачен, обнаружив, что в опыте с сильно заряженной лейденской банкой и 60 взявшимися за руки людьми удар электрического тока ощущали всего лишь шесть человек в начале цепочки. Почему ток останавливался на шестом человеке, было загадкой. Возможно, его организм обладал особыми качествами. Возникла гипотеза, что молодой человек, стоявший шестым в цепочке, был наделен «не всем, что полагалось мужчине», иными словами, он обладал не всеми естественными атрибутами. По Парижу быстро разнесся слух о том, что евнухи не проводят ток.
