Американский ученый Бенджамин Франклин первым популяризовал представления об электричестве как о жидкости особого рода, которая может образовывать электрические заряды двух различных типов, в зависимости оттого, присутствует ли избыток (положительный заряд) жидкости или ее недостаток (отрицательный заряд). Более того, Франклин в 1752 году смог показать, что искры и треск лейденской банки не просто напоминают гром и молнию, но представляют собой то же самое природное явление. Запуская воздушного змея во время грозы и присоединяя его к банке, он сумел зарядить ее электричеством.
Открытие взволновало научный мир, и ученые начали ставить над электричеством опыт за опытом. Итальянский анатом Луиджи Гальвани в 80-х годах XVIII века тоже занялся электричеством. Он, также как и другие, обнаружил, что если воздействовать электрическим разрядом лейденской банки па изолированную мышцу, иссеченную из лапки лягушки, то эта мышца сократится. Однако он пошел дальше и открыл еще один феномен (правда, отчасти благодаря счастливому случаю). Он обнаружил, что мышца сократится, если к пей прикоснуться металлическим предметом в тот момент, когда разряжается лейденская банка. При этом было совершенно не обязательно, чтобы искра коснулась мышцы. Потом Гальвани открыл, что мышца сокращается, если к ней прикоснуться двумя предметами из разных металлов. Это происходит даже в том случае, если поблизости вообще нет никакой лейденской банки.
Гальвани решил, что мышца сама по себе является источником флюида, похожего па электричество, с которым экспериментировали другие ученые. Он назвал новый, по его мнению, вид электричества «животным электричеством». Ученые быстро показали, что Гальвани был настолько же не прав в своих выводах, насколько тонок в своих наблюдениях.
Соотечественник Гальвани Алессандро Вольт в начале XIX века показал, что источником электричества была не мышца, а два металла. Он особым образом соединял между собой две полоски металлов и получал - при отсутствии животных тканей - электрический ток. Он первым сконструировал электрическую батарею и получил постоянный ток.
Оказалось, что электрический ток обладает свойством стимулировать животные ткани. Вскоре было показано, что, хотя ток может вызвать сокращение мышцы при непосредственном воздействии на нее, Гон гораздо аффективнее делает это, если его приложить к нерву, идущему к возбуждаемой мышце. В течение XIX века постепенно утвердилось мнение, что нерп проводит стимул к мышце и что это проведение осуществляется в форме электрического тока.
Природа возникновения тока в молнии, батарее Вольта и в нерве не была понята до открытия строения атома в начале XX века. На пороге этого века было выяснено, что атом состоит из множества более мелких, субатомных частиц, большинство из которых несет электрический заряд. В особенности это касается внешней области атома, той области, в которой вращаются вокруг атомного ядра электроны, несущие заряд, который Франклин когда-то, совершенно произвольно, описал как отрицательный. В центре атома находится атомное ядро, которое несет положительный заряд, уравновешивающий отрицательный заряд электронов. Если рассматривать атом как единое целое, то два типа электрических зарядов уравновешивают друг друга, и в целом атом является электрически нейтральным.
Однако атомы взаимодействуют друг с другом и обладают склонностью отбирать друг у друга электроны. В любом случае, теряет ли атом электрон или приобретает его, нарушается равновесие зарядов и атом перестает быть электрически нейтральным. Атом приобретает заряд и превращается в ион. Электроны перетекают с одного набора атомов к другим, подобно флюиду Франклина, за исключением того, что Франклин направил этот поток в противоположном, неверном, направлении (но пусть это не тревожит нас).
Атомы натрия и калия очень легко отдают по одному электрону. В результате образуются ионы калия и натрия, каждый из которых песет единичный положительный заряд. Напротив, атомы элемента хлор охотно присоединяют один электрон к своей внешней электронной оболочке, становясь при этом отрицательно заряженными ионами хлора1.
1 В оригинале сноска касается тонкостей англоязычной терминологии, не играющих роли в русском языке Имеется» виду, что не надо путать ион хлора с ионом хлорном кислот (Примеч. пер.).
В организме содержится очень много натрия, калия и хлора, но все эти элементы неизменно присутствуют в нем в виде своих ионов2.
2 В действительности натрий и калий существуют в неживой природе тоже только в виде ионов. Нейтральные атомы натрия и калия образуют очень активные металлы, которые можно получить только и лабораторных условиях, приложив немало усилий. Если после этого не предпринять специальных мер, то атомы этих металлов немедленно прекращаются в ионы. То же самое можно сказать и о хлоре, атомы которого в тральной форме объединяются в пары и образуют ядовитый газ «хлор», который в свободном виде на Земле не встречается, за исключением лабораторий, где его изготовляют химики.
Кроме того, в организме содержится множество других ионов. Кальций и магний существуют в нашем теле в виде тонов, несущих двойной положительный заряд. Атомы железа образуют ионы, которые имеют либо двойной, либо тройной положительный заряд. Атомы серый фосфора соединяются кислородом и водородом, образуя сложные ионы, несущие суммарный отрицательный заряд. Группы атомов, образующие боковые цени аминокислот, из которых построены белки, в некоторых случаях присоединяют электроны, а в некоторых - отдают (иногда, правда, они не делают ни того ни другого), в результате по поверхности белковой молекулы рассеяны положительно и отрицательно заряженные группы.
Положительно заряженные частицы отталкивают другие положительно заряженные частицы, а отрицательно заряженные частицы отталкивают другие отрицательно заряженные частицы. Напротив, положительно заряженные и отрицательно заряженные частицы притягиваются друг к другу. Силы притяжения и отталкивания приводят к тому, что в растворе заряды существуют в виде равномерной смеси. В любом объеме разумных размеров (например, в объеме, видимом в световом микроскопе) все заряды нейтрализованы, так как положительные и отрицательные заряды сближаются на минимально возможное расстояние и нейтрализуют друг друга. Требуется весьма значительная энергия для того, чтобы разделить даже небольшое количество разноименных зарядов, а когда заряды разделены, они снова стремятся образовать нейтральную смесь. Это может иметь катастрофический характер, например при разряде молнии, или выглядеть скромнее, как разрад обкладок лейденской банки. В химической батарее разделены очень небольшие заряды. Это разделение всегда существует в металлах. Электрический ток - это попытка электронов течь из одного металла в другой, чтобы восстановить нейтральность.
Если по нервам течет электрический ток какой бы то ни было природы, то, значит, есть и разделение зарядов. Ответ на вопрос о природе такого разделения скрыт в строении клеточной мембраны.
КЛЕТОЧНАЯ МЕМБРАНА
Клетка окружена полупроницаемой мембраной. Она называется полупроницаемой, потому что одни вещества могут проходить через нее свободно, а другие не могут пройти вообще. Первое обобщение, которое мы можем сделать, касается того, что такие мелкие молекулы, как вода или кислород, могут свободно проходить сквозь клеточную мембрану, а такие крупные молекулы, как крахмал или белок, - не могут. Самое простое объяснение механизма такой избирательности заключается в том, что и мембранах имеются мелкие субмикроскопические отверстия, которые так малы, что пропускают только очень мелкие молекулы.
Предположим, что это так и что есть мелкие молекулы, которые бомбардируют извне клеточную мембрану. По чистой случайности некоторые из этих молекул время от времени попадают точно в середину отверстий и проходят внутрь клетки. Такие молекулы попадают в клетку в результате процесса, называемого диффузией (от латинского слова, означающего «протекать»). Частота, с которой молекулы попадают в клетку в результате диффузии, зависит от количества молекул, попадающих в отверстия в единицу времени. Это количество, в свою очередь, зависит от общего числа молекул, ударяющихся о поверхность клетки. А эта величина зависит от концентрации молекул вне клетки. Чем больше концентрация, тем больше число молекул, ударяющихся о мембрану, и тем больше число попадающих внутрь, Короче говоря, скорость диффузии в клетку зависит от концентрации молекул вне клетки.
Если молекулы, о которых мы говорим, содержатся и внутри клетки, то они также будут бомбардировать мембрану, только изнутри. По случайности некоторые из них тоже будут попадать и отверстия и выходить наружу, из клетки, в окружающую среду. В этом случае также скорость диффузии зависит от концентрации молекул, только внутри клетки. Если концентрация молекул снаружи клетки выше, чем их концентрация внутри, то скорость диффузии, направленной внутрь, окажется выше скорости диффузии, направленной наружу. Суммарный ток молекул окажется направленным внутрь. Чем больше разница в концентрациях (или концентрационный градиент), тем большим будет этот суммарный поток. В общем случае суммарный поток молекул направлен из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией, по направлению снижения концентрации. Так автомобиль с выключенным двигателем движется вниз по склону горы. С течением времени концентрация молекул возрастает там, где она была низкой, и уменьшается там, где она была высокой. Концентрационный градиент становится все более и более пологим, суммарный поток уменьшается, и это продолжается до тех пор, пока концентрации по обе стороны мембраны не сравняются между собой и не исчезнет концентрационный градиент1. Продолжая аналогию с автомобилем, можно сказать, что когда он выезжает на ровную поверхность, то через некоторое время останавливается.