Искра жизни. Электричество в теле человека Эшкрофт Фрэнсис

Ботокс – новейшее оружие в арсенале косметической хирургии, им пользуются кинозвезды и простые люди, желающие избавиться от морщин на лице, которые появляются с возрастом. На деле он представляет собой опасный яд, называемый ботулотоксином. Во времена моей молодости он был намного более известен как причина пищевых отравлений со смертельным исходом. В те дни консервированная говядина была массовым продуктом питания, но если консервные банки оказывались плохо закрытыми, то в продукт попадали бактерии Clostridium botulinum. Токсин, вырабатываемый этими бактериями, убивал любого, кто неосмотрительно употреблял в пищу такие консервы{9}. Другие мясные продукты тоже, случалось, содержали токсин – ведь даже само слово botulinum происходит от латинского названия колбасы (botulus).

Ботулотоксин – один из самых сильных известных природных ядов. В количестве, умещающемся на кончике иглы, он смертелен для взрослого человека, а одного грамма, по расчетам, достаточно, чтобы убить миллион человек. Считается, что бойцы чешского Сопротивления использовали его для покушения на печально известного обергруппенфюрера СС Рейнхарда Гейдриха, высокопоставленного нацистского функционера, в котором Гитлер видел своего преемника. Покушение на Гейдриха было совершено в Праге весной 1942 г. двумя прошедшими подготовку в Великобритании чешскими патриотами, которые бросили в его автомобиль гранату, начиненную, по общепринятому мнению, ботулотоксином. Хотя ранения Гейдриха были вроде бы не опасны для жизни и операция прошла успешно, он умер через восемь дней от осложнений. Действительно ли ботулотоксин был причиной его смерти – большой вопрос. Тем не менее некоторые страны занимались исследованием возможности использования ботулотоксина в качестве боевого отравляющего вещества. ЦРУ, например, обработало ботулотоксином партию любимых сигар Фиделя Кастро (до применения которых дело так и не дошло).

Ботулотоксин предотвращает сокращение мышц. При попадании внутрь организма он постепенно расслабляет дыхательные мышцы, пока они не перестают функционировать, вызывая смерть от удушья. В последнее десятилетие или два, однако, обнаружилось, что впрыскивание ничтожного количества токсина под кожу позволяет парализовать мышцы в строго ограниченной зоне. Поначалу это свойство использовали в целях оказания помощи людям, у которых мышцы шеи или плеча находятся в постоянно «замороженном» состоянии, и они могут поворачивать голову только в одну сторону. Вскоре выяснилось, что ботокс оказывает еще один эффект – он разглаживает глубокие мимические морщины, формирующиеся при нахмуривании и улыбке. Как заметил однажды швейцарский врач Парацельс, «между ядом и лекарством разница лишь в дозе».

Достоинство ботокса в том, что он соединяется со своей целью очень сильно, его вымывание идет крайне медленно, и мышцы остаются расслабленными в течение многих месяцев. Вместе с тем примерно раз в полгода процедуру необходимо повторять. Оборотной стороной этого метода является то, что токсин блокирует также сокращение мимических мышц и приводит к появлению неподвижной «маски сфинкса» на лице. Еще хуже то, что при слишком частом использовании ботокс может вызвать местный паралич, выражающийся в опущении верхнего века или углов рта.

Сон нобелевского лауреата

Ботокс вызывает паралич в результате блокирования передачи электрических импульсов от нерва к мышце. Эти два типа клеток не связаны физически, и импульс не может преодолеть пространство, которое разделяет их. Поэтому сигнал от одной клетки к другой передает химический мессенджер, или медиатор (нейромедиатор). Передача информации от нервной клетки к мышечной клетке (или к другой нервной клетке) происходит в особых областях, называемых синапсами, где щель между двумя клетками очень мала – около одной стомиллионной части метра (примерно 30 нм[16]). По очевидным причинам клетку в начале цепочки, которая выделяет медиатор (в нашем случае нервная клетка), называют пресинаптической клеткой, а ее цель – постсинаптической клеткой.

Окончание нервного волокна усеяно небольшими мембранными пузырьками (везикулами), наполненными нейромедиатором. В синапсе между нервом и мышцей нейромедиатором служит ацетилхолин, но для передачи информации между различными типами нервных клеток в головном мозге используется множество других химических веществ. Когда электрический импульс достигает нервного окончания, он заставляет везикулы выделять их содержимое в щель между двумя клетками. Нейромедиатор диффундирует через щель и присоединяется к рецептору на поверхности постсинаптической клетки, инициируя генерирование электрического импульса. В мышечной клетке такой импульс вызывает сокращение.

Процесс передачи информации от нерва к мышце с помощью химического вещества был открыт Отто Лёви, блестящим ученым, который проработал большую часть своей жизни в австрийском городе Граце. Он родился в 1873 г. во Франкфурте и поначалу больше интересовался рисованием, музыкой и философией, чем естественными науками, и хотел стать искусствоведом. Однако по настоянию домашних он поступил в высшее медицинское учебное заведение. Там Лёви быстро увлекся наукой. На протяжении всей жизни для него были характерными неистребимое жизнелюбие, страсть к исследованиям и чувство юмора. Даже в последние годы жизни он настаивал на том, что «волнение полезно ему».

В 1921 г. Лёви продемонстрировал, что в передаче электрических импульсов между нервными и мышечными клетками участвуют химические вещества. Он объяснял эту догадку озарением, которое пришло ему во сне. Вот, что он писал: «Ночью перед пасхальным воскресеньем в тот год я проснулся, включил свет и что-то нацарапал на небольшом клочке бумаги. После этого я снова уснул. Утром часов в шесть до меня дошло, что ночью я записал что-то очень важное, но не смог разобрать свои каракули. Следующей ночью в три часа эта идея вернулась. Она касалась эксперимента, позволяющего определить, правильной или неправильной была моя гипотеза химической передачи информации, высказанная 17 лет назад. Я тут же вскочил с постели и отправился в лабораторию и провел простой эксперимент на сердце лягушки точно так, как он привиделся мне ночью».

Лёви знал, что если электрическим разрядом возбудить нерв, управляющий сердцем лягушки, то ритм его сокращений должен замедлиться. Если, как он предположил, это связано с химическим медиатором, высвобождаемым из нервных окончаний, то химическое вещество должно попасть в жидкость, в которой находится сердце. Сначала во сне, а потом наяву Лёви увидел, как при погружении другого сердца в собранный раствор ритм его биения тоже замедляется. Это означало, что первое сердце выделяет растворимый химический медиатор, который затем действует на второе сердце.

Лёви назвал этот химический медиатор «вагусным веществом» (Vagus-stoff), поскольку его выделял блуждающий нерв (vagus), передающий сигналы сердцу. Сейчас мы знаем, что это ацетилхолин, как и предполагал Лёви. Он был слишком осторожным, чтобы публиковать непроверенные сведения, которые могли оказаться некорректными. Лишь в 1926 г. после многочисленных дополнительных экспериментов он пришел к выводу, что это может быть ацетилхолин. Лёви очень повезло, поскольку нерв, передающий сигналы лягушачьему сердцу, имеет два набора волокон: одни набор выделяет химическое вещество, замедляющее сердечный ритм (ацетилхолин), а другой – субстанцию (норадреналин), ускоряющее его. Частота, при которой Лёви стимулировал нерв, должна была в точности соответствовать той, что обеспечивает преобладание действия ацетилхолина. Здесь удача вновь сыграла ключевую роль в открытии.

В 1936 г. Лёви (вместе со своим другом детства британским ученым сэром Генри Дейлом) был удостоен Нобелевской премии. А всего два года спустя, 12 марта 1938 г., Германия вторглась в Австрию. Лёви в тот же день сказали, что нацисты оккупировали его страну, но его слишком занимали исследования, чтобы придавать значение этой новости. Свою ошибку он понял в 3:00 на следующее утро, когда десяток вооруженных штурмовиков ворвались в его дом и отправили ученого в тюрьму вместе с другими евреями. Не зная, что с ним будет, и ожидая расстрела в любой момент, Лёви изложил последние результаты исследований на открытке, указал на ней адрес научного журнала (Die Naturwissenshaften) и упросил часового бросить ее в почтовый ящик. Мысль о том, что результаты его исследований не будут потеряны, принесла ему облегчение.

Через два месяца Лёви выпустили из тюрьмы и позволили уехать из страны при условии, что он передаст все свое состояние нацистам, в том числе отдаст приказ шведскому банку в Стокгольме перевести денежное вознаграждение, причитавшееся нобелевскому лауреату, в подконтрольный нацистам банк в качестве выкупа. Он уехал в Англию без гроша в кармане.

Некоторое время Лёви прожил у Дейла в Лондоне, потом недолго поработал в Брюсселе и в Оксфорде, а в 1939 г. отправился на пароходе в США, чтобы занять должность профессора фармакологии на медицинском факультете Нью-Йоркского университета. Он прибыл в Нью-Йорк в июне 1940 г. в возрасте 67 лет, имея лишь въездную визу да справку о состоянии здоровья. Глядя на эту справку в ожидании приема у чиновника иммиграционной службы, он с ужасом обнаружил в ней приговор: «Глубокая старость, не способен зарабатывать на жизнь». К счастью, чиновник решил не обращать внимания на это сомнительное препятствие, и Лёви получил разрешение на жительство. Он никогда не сетовал на этот тяжелый период жизни. Более того, считал, что судьба была добра к нему, поскольку в США у него появилась возможность продолжить научную деятельность в таком возрасте, когда в Австрии вынуждают выходить на пенсию. На протяжении еще 21 года он передавал знания студентам, а летом был постоянным участником оживленных дискуссий в Лаборатории биологии моря в Вудс-Хоуле.

Подарок Гитлера

{10}

Сэр Генри Дейл был не только выдающимся ученым, но и мудрым, влиятельным и авторитетным выразителем взглядов научного сообщества, который пользовался глубоким уважением со стороны коллег. Высокий, душевный человек с обширными познаниями, он играл важную закулисную роль в спасении биологов-евреев, включая Лёви, из нацистской Германии. Он также активно участвовал в открытии процесса передачи информации между клетками с помощью химического вещества. Как и Лёви, Дейл всегда подчеркивал значение «счастливого случая» в своих исследованиях. Не менее важным, однако, было и его упорство. Участие Дейла в этой истории берет начало в 1913 г., когда он получил экстракт спорыньи (грибка) для рутинного тестирования. Этот экстракт обладал сильным и неожиданным физиологическим действием, которое заинтересовало ученого. С помощью строгих классических химических методов его коллега, химик Артур Эвинс, сумел выделить активное начало – им оказался ацетилхолин. Физиологическое действие ацетилхолина напоминало то, что возникало при возбуждении определенных нервов, и это привело Дейла к мысли о том, что если в тканях животных обнаружится ацетилхолин, то он будет хорошим кандидатом на роль нейромедиатора. Исследования были прерваны Первой мировой войной, когда Дейлу пришлось заниматься другими вопросами. Однако годы спустя ему все же удалось доказать, что ацетилхолин действительно естественным образом вырабатывается животными. Ацетилхолин был выделен из селезенки лошади.

Интерес Дейла к ацетилхолину снова вспыхнул, когда он узнал об эксперименте, увиденном Лёви во сне. И Дейл вознамерился выяснить, не ацетилхолин ли выделяется из нервных окончаний в месте контакта нерва и мышцы. Это была задача не для слабых духом, поскольку ацетилхолин выделялся в ничтожных количествах и, как заметил Дейл, имел бесконечно малое действие. Дейлу требовался высокочувствительный аналитический метод, и провидение в образе нацистов помогло ему в этом.

В 1933 г., вскоре после прихода к власти, Гитлер приказал уволить всех евреев, работавших в государственных учреждениях. Практически в одночасье большое число ученых лишилось работы. Уильям Беверидж, директор Лондонской школы экономики, подвигнул британских ученых не только принять план их спасения, но и поддержать финансово. Он также убедил Фонд Рокфеллера учредить для ученых-евреев специальный фонд, помогающий им перебраться в американские университеты. В результате многие евреи получили возможность эмигрировать в США и Великобританию. Это был огромный подарок Гитлера союзникам. Гитлер, по-видимому, не представлял себе их ценности – он заявил, что «если увольнение ученых-евреев уничтожит современную германскую науку, то мы несколько лет обойдемся и без науки». Такая политика оказалась самоубийственной.

Однако она сыграла на руку Дейлу. Вильгельм Фельдберг, разработавший аналитический метод для тонкого обнаружения ацетилхолина, вспоминает, как в 1933 г. он лишился своей должности в Институте физиологии в Берлине просто потому, что был евреем. Через несколько недель после этого он попытался получить помощь у представителя нью-йоркского Фонда Рокфеллера, который приехал в Берлин с целью спасения наиболее выдающихся ученых-евреев. Хотя этот человек и посочувствовал ему, он сказал: «Вы, Фельдберг, должны понимать, работы лишилось так много знаменитостей, которых надо спасать, что молодому человеку вроде вас вряд ли стоит рассчитывать на место в их списке. Но давайте я хотя бы запишу ваше имя. Кто знает, как все обернется». Услышав имя Фельдберга, он замялся, покопался в своих бумагах и радостно воскликнул: «Так вот же! У меня послание для вас от сэра Генри Дейла… Сэр Генри сказал мне, что если я вдруг встречусь с Фельдбергом в Берлине и если его уволили, то ему нужно передать, что его ждут в Лондоне»{11}. Фельдберг, не раздумывая, покинул Германию.

Методика Фельдберга позволяла проводить высокочувствительный биоанализ, который не только показывал, что ацетилхолин действительно выделяется при стимулировании нерва, возбуждающего мышцу, но и давал возможность измерять количество нейромедиатора. Это достигалось путем пропускания раствора вокруг нерва во время его стимулирования, сбора этого раствора, нанесения его на мышцу пиявки и измерения силы сокращения мышцы. Секрет успеха опыта с пиявкой заключался в использовании химического вещества (физостигмина), которое предотвращало разрушение ацетилхолина эндогенными ферментами, продлевая его «бесконечно малое действие». Именно за доказательство того, что ацетилхолин служит медиатором в нервно-мышечных синапсах, Дейл был удостоен Нобелевской премии вместе с Лёви в 1936 г. В своей речи при вручении награды Дейл предположил, что химическая передача информации может происходить не только в нервно-мышечных синапсах, но и в центральной нервной системе. Его слова оказались пророческими.

Война химического и электрического начал

Если Дейл склонялся к химической передаче информации, то эпатажный австралийский нейрофизиолог Джон Кэрью Экклс был в равной мере уверен в том, что информация передается с помощью электрических сигналов, поскольку, на его взгляд, передача в синапсах между нейронами происходит слишком быстро, чтобы быть химической. Это спровоцировало долгий спор, получивший название «война химического и электрического начал» и сильно ожививший прежде степенные заседания Физиологического общества. Молодой, легко загорающийся, не допускающий возражений и чрезвычайно энергичный Экклс отстаивал свои взгляды крайне горячо. Дейл, представитель аристократии и к тому времени член Королевского общества и лауреат Нобелевской премии, сохранял авторитетное спокойствие. Как бы то ни было, но на деле столкновение Дейла и Экклса было мнимым. Хотя их публичная полемика казалась резкой, напряженной и, для некоторых сторонних наблюдателей, абсолютно враждебной, их личные отношения были далеки от неприязни – они обменивались дружескими письмами и делились результатами исследований до их публикации. К тому же научные разногласия заставляли их искать дополнительные факты в подтверждение своих взглядов.

Экклсу не давала покоя длительность процесса замедления ритма биения сердца при стимуляции блуждающего нерва. Поскольку в этом процессе, как было известно из работы Лёви, участвовал химический медиатор, он заключил, что значительно более быстрая передача информации в синапсах между нервом и скелетными мышцами не может быть химической, а значит, должна быть электрической. Его возмущало предположение Дейла и Фельдберга о том, что ацетилхолин служит медиатором в нервно-мышечных синапсах. К 1949 г., однако, у Экклса накопилось достаточно фактов, говорящих о том, что передача информации в нервно-мышечных синапсах действительно является химической.

Впрочем, он не спешил делать выводы о том, что происходит в синапсах между нейронами в спинном и головном мозге. По его мнению, там все же могла преобладать электрическая передача информации. Решающий эксперимент, который положил конец спору, Экклс вместе с коллегами Джеком Кумбсом и Лоренсом Броком поставил в одну из ночей в середине августа 1951 г. в Данидине, Новая Зеландия. По словам Экклса, на этот эксперимент его натолкнул разговор с философом Карлом Поппером, который утверждал, что в науке доказать нельзя ничего, можно лишь опровергнуть. Поэтому Экклс загорелся идеей продемонстрировать, что передача нервных импульсов в центральной нервной системе не является электрической, и – к его безмерному удивлению – ему это удалось. Прорыв произошел потому, что группа исследователей использовала тончайшие микропипетки, которые вводили в нейроны спинного мозга для регистрации электрических сигналов в постсинаптических клетках при стимулировании нерва. Кумбс, инженер-электрик, сконструировал и собрал специальный прибор для стимулирования нейронов и регистрации сигналов в них. Экклс выстроил эксперимент так, чтобы кривая потенциала на самописце шла вниз, если передача была химической, и вверх – если электрической. Кривая пошла вниз, и Экклс был потрясен – его гипотеза электрической передачи информации была опровергнута. Эта ночь оказалась драматической и по другим причинам. Жена Кумбса родила дочь, и роды принимал Брок (врач), в то время как Экклс экспериментировал до самого утра.

Томас Хаксли[17] однажды назвал «уничтожение прекрасной гипотезы всего лишь одним скверненьким фактиком» величайшей трагедией науки. Однако Экклс не скорбел об утрате своей идеи, а тут же написал Дейлу, что теперь и он убедился в химической природе передачи нервных импульсов. Дейл в ответ поздравил Экклса с прекрасными результатами и сухо выразил надежду на то, что «энтузиазм вновь обращенного не поставит никого из нас в неловкое положение». Позднее он написал, что обращение Экклса в сторонника гипотезы химической передачи информации было подобно обращению Савла на пути в Дамаск, «когда внезапно засиял свет, и пелена упала с его глаз»[18]. Способность быстро отказаться от своей гипотезы, когда данные неопровержимо говорят о ее ошибочности, – одна из самых сильных сторон научного подхода и показатель уровня ученого.

Помни о зазоре

Когда нервный импульс достигает окончания аксона, он должен каким-то образом вызывать выделение нейромедиатора из содержащих его крошечных везикул. В этом процессе решающую роль играют ионы кальция. Концентрация ионов кальция внутри клеток в 10 000 раз меньше, чем снаружи. Такую концентрацию поддерживают молекулярные насосы, которые быстро удаляют поступающий кальций, выбрасывая его из клетки или запасая во внутриклеточных депо. Одна из причин, по которым концентрация кальция поддерживается на таком низком уровне, заключается в том, что он служит мессенджером, передающим внутриклеточным белкам и органоидам информацию о событиях на клеточной мембране. На нервном окончании, например, кальций инициирует выделение ацетилхолина из везикул в пространство между нервной и мышечной клетками.

Когда нервный импульс достигает нервного окончания, под его воздействием кальциевые каналы открываются и впускают поток ионов кальция в клетку. Это заставляет синаптические везикулы, наполненные нейромедиатором ацетилхолином, двигаться в направлении мембраны, сливаться с ней и выбрасывать содержимое в синаптическую щель. Ацетилхолин затем диффундирует через щель и присоединяется к рецепторам на мембране мышечного волокна. Присоединение нейромедиатора открывает ионный канал в ацетилхолиновом рецепторе, позволяя ионам натрия входить в клетку. Натриевый ток инициирует электрический импульс в мышце. Таким образом, электрический сигнал передается от нерва к мышце с помощью химического посредника.

Кальций поступает в клетку через кальциевые каналы в мембране пресинаптического нерва, которые открываются в ответ на изменение потенциала, вызванного нервным импульсом. Чрезвычайно важно, чтобы эти каналы открывались только при поступлении импульса и оставались открытыми короткое время. Бесконтрольный приток кальция может быть опасным, поскольку он приводит к продолжительному выделению нейромедиатора. Одним из множества токсичных компонентов яда смертельно опасного паука «черная вдова» является альфа-латротоксин, который встраивается в клеточную мембрану и образует поры, позволяющие ионам кальция бесконтрольно поступать в клетку, что приводит к массированному выбросу нейромедиатора и мышечному спазму.

Повышенное выделение нейромедиатора может также быть результатом генетических мутаций, которые увеличивают продолжительность нервного импульса и таким образом повышают приток кальция. Люди с такими мутациями периодически испытывают приступы головокружения, непроизвольную мышечную дрожь и расстройство координации движений, в результате которого они теряют равновесие и с трудом ходят. У них может также наблюдаться рвота. Приступы нередко провоцируются сильными эмоциями, например во время просмотра футбольного матча с участием любимой команды. Учитывая характер симптомов, неудивительно, что людей в этом состоянии принимают за пьяных – факт, который особенно раздражает страдающих таким недугом, особенно если они на деле являются трезвенниками.

В то же время неадекватный приток кальция приводит к тому, что слишком мало везикул выделяют свое содержимое, и выбрасываемого нейромедиатора недостаточно для инициирования сокращения мышц. Такое наблюдается в случае миастенического синдрома Ламберта – Итона, состояния, в котором организм вырабатывает антитела против кальциевых каналов в нервно-мышечных синапсах. Эти антитела прикрепляются к кальциевым каналам и удаляют их из мембраны нервной клетки, в результате чего нервные импульсы не вызывают выделения нейромедиатора. Итог – мышечная слабость или паралич. В большинстве случаев синдром является следствием развития опухоли (обычно рака легких) в организме, которая имеет аналогичный тип кальциевых каналов. Иммунная система реагирует на раковую опухоль, вырабатывая антитела, и те из них, которые направлены против кальциевых каналов раковых клеток, начинают взаимодействовать с кальциевыми каналами в нервных окончаниях. Синдром, таким образом, является сигнализатором, указывающим врачам на необходимость обследования больного для поиска возможной опухоли. Это очень ценно, поскольку чем раньше начнется лечение рака легкого, тем лучше результат для больного.

Все на местах и готовы к действию

Иногда говорят, что содержимое клетки напоминает гороховый суп, в котором химические вещества и органоиды распределены случайным образом. Однако такое сравнение очень далеко от истины. Внутри клетки все имеет свое место и удерживается в правильном положении с помощью высокоструктурированной белковой сети, называемой цитоскелетом. Это особенно хорошо видно в нервном окончании, где везикулы, содержащие нейромедиатор, раскрываются только в определенных местах – «активных зонах». Там несколько везикул находится в пристыкованном к мембране состоянии в полной готовности к немедленному выбросу нейромедиатора при поступлении сигнала. Кальциевые каналы располагаются рядом с местами стыковки так, чтобы кальцию нужно было пройти как можно меньшее расстояние после попадания в клетку. Это помогает передавать информацию очень быстро. В течение одной миллисекунды (тысячной доли секунды) электрический импульс достигает нервного окончания и приводит к выбросу примерно 30 млн молекул ацетилхолина. Эти молекулы быстро диффундируют через щель к своим рецепторам на мембране мышечной клетки и присоединяются к ним всего на пару миллисекунд, так что весь процесс завершается примерно за 20 миллисекунд.

Небольшое число пристыкованных везикул раскрываются «самопроизвольно», не дожидаясь поступления кальция, и стихийно выбрасывают нейромедиатор, однако их слишком мало, чтобы вызвать сокращение мышцы. Система, где все на местах и готовы к действию, позволяет при поступлении нервного импульса очень быстро выбросить нейромедиатор – свойство, за которое мы должны быть очень благодарны природе, именно оно позволяет нам быстро отдернуть руку от горячей ручки сковороды по сигналу мозга.

Чтобы преодолеть огромный энергетический барьер, обычно не дающий мембране синаптической везикулы слиться с мембраной клетки, требуется сложный молекулярный механизм. Он включает в себя многочисленные белки, которые образуют стыковочный и выпускной комплекс, он действует как молекулярная повивальная бабка, облегчающая стыковку везикулы и слияние мембран. Как именно присоединение ионов кальция к этим белкам инициирует каскад конформационных изменений, приводящих к слиянию мембран везикулы и клетки, в точности не известно. Однако ингибирование функционирования содействующих процессу белков блокирует нервно-мышечную передачу информации. Токсин ботулизма, например, препятствует выбросу нейромедиатора и сокращению мышц путем разрушения определенного набора таких белков.

Не все синаптические везикулы готовы к выбросу нейромедиатора. Большинство из них находятся на некотором расстоянии от мест выброса и должны сначала подойти к мембране. Им нужно также пройти процесс созревания, подготовки к пристыковке и выбросу нейромедиатора. Кальций, помимо прочего, дает сигнал к мобилизации этого войска везикул.

Отравленные дротики

После высвобождения из нервного окончания ацетилхолин диффундирует через крошечную щель к постсинаптической мембране мышечного волокна, где взаимодействует с ее рецепторами. Присоединение нейромедиатора вызывает конформационное изменение в ацетилхолиновом рецепторе, которое открывает ионный канал, обеспечивая одновременный приток ионов натрия и истечение ионов калия. Это понижает разность потенциалов на мышечной мембране и генерирует электрический импульс в мышечном волокне. Таким образом ацетилхолин передает потенциал действия от нерва к мышце, вызывая ее сокращение.

Действие большого числа лекарств и ядов основано на вмешательстве в функцию ацетилхолина и его мышечного рецептора. Самым известным является кураре – яд, используемый южноамериканскими индейцами для изготовления отравленных дротиков для духовых трубок. Кураре препятствует присоединению ацетилхолина к его рецепторам в мышечной мембране и, таким образом, не дает нерву стимулировать мышечное волокно. В результате у животного, пораженного дротиком, наступает полный паралич, и оно падает с дерева на землю, где его добивает охотник или оно само погибает от остановки дыхания. К счастью, кураре очень плохо усваивается пищеварительной системой, поэтому убитое с его помощью животное можно спокойно съесть.

Кураре когда-то использовался также в военном деле, и даже небольшая царапина от отравленной им стрелы несла смерть. Его очень боялись. В своем отчете об открытии Гайаны сэр Уолтер Рэли писал, что «те, кто был ранен, испытывали самые непереносимые муки в мире и умирали самой ужасной смертью». В зависимости от дозы жертва может оставаться в сознании, чувствовать боль, но быть неспособной двигаться или дышать – при отсутствии искусственной вентиляции легких она в конечном итоге умирает от удушья. Токсины, подобные кураре, использовались для отравления наконечников стрел и копий в течение сотен лет, а древнегреческое слово «токсикон», от которого берет начало термин «токсин», означает «лук» или «яд для стрел».

Кураре можно получить из многих южноамериканских растений, но лучше других известна вьющаяся лиана Chondrodendron tomentosum. Великий прусский исследователь Александр фон Гумбольдт был первым европейцем, описавшим процесс его приготовления в 1800 г. Он отметил, что сок лианы смешивают с вытяжкой из другого растения и получают густую клейкую субстанцию, которую можно наносить на наконечник стрелы. Несколько лет назад я попросила разрешения осмотреть отравленные дротики для духовых трубок, которые хранились в музее индейцев племени пит-ривер в Оксфорде. Мне разрешили взглянуть на них, но не позволили трогать и тем более демонстрировать на публичной лекции по соображениям безопасности. Я крайне удивилась, поскольку не сомневалась, что яд давным-давно разложился. Но это было не так – сравнительно недавно анализы показали, что кураре, приготовленный 112 лет назад, все еще сохраняет активность. Любопытно, что чистый токсин был впервые выделен из образца кураре, приготовленного индейцами и находившегося в Британском музее. Он хранился в бамбуковой трубке, и поэтому активный алкалоид назвали тубокурарином (кураре-в-трубке).

Известно, что группа недовольных граждан, отказывающихся от несения военной службы, готовила заговор против британского премьер-министра Ллойда Джорджа с намерением убить его с помощью кураре. Г-жа Элис Уилдон, ее дочери Винни и Хетти, а также ее зять Альфред Мейсон принадлежали к Братству против всеобщей воинской повинности, которое выступало против обязательной военной службы (введенной в результате очень больших потерь на Восточном фронте во время Первой мировой войны) и заключения под стражу отказников. Альфред, квалифицированный химик и лектор в Саутгемптонском университете, добыл кураре. В конце декабря 1916 г. в группу успешно внедрились два секретных агента, Алекс Гордон и Герберт Бут, которые представились отказавшимися от несения военной службы. Герберт Бут дал свидетельские показания о том, что ему выдали пневматическую винтовку и пули, обработанные кураре, и детально проинструктировали, как убить премьер-министра на пути в гольф-клуб Walton Heath. Кураре было достаточно для убийства нескольких человек, и, несмотря на утверждения, что вещество предназначалось для уничтожения собак, охранявших лагеря для содержания отказников, а не премьер-министра и что идею подали Бут и Гордон, Элис, Винни и Альфред были обвинены в организации заговора с целью убийства. Насколько успешным могло быть такое покушение, неизвестно. В равной мере неизвестно, действительно ли готовилось покушение или разыгрывался план правительства по дискредитации движения против всеобщей воинской повинности и антивоенных групп и не были ли Бут и Гордон в действительности провокаторами.

Более достоверно известно, что в США кураре выдавали агентам, выполнявшим секретные операции, на случай провала, чтобы они могли покончить с собой и избежать пыток. Когда Фрэнсис Гэри Пауэрс совершал свой полет на разведывательном самолете U2 над территорией России во времена холодной войны, в его арсенале был серебряный американский доллар с крошечным выступом сбоку. Выступ закрывал тонкую острую иглу с желобком на конце, покрытую коричневым вязким веществом, которое, по словам Пауэрса, представляло собой кураре. Так ему сказали по крайне мере. Когда Пауэрса сбили и взяли в плен, русские нашли этот доллар и испытали его действие на собаке. Она перестала дышать через минуту после укола и умерла спустя еще полминуты. Неизвестно, правда, только ли кураре был на кончике иглы – уж больно быстро действовал яд.

Болиголов пятнистый (Conium maculatum) содержит целый ряд алкалоидов, самый сильный из которых, кониин, действует подобно кураре, блокируя активность ацетилхолина и парализуя дыхательные мышцы. Это растение столетиями использовалось для приведения в исполнение смертных приговоров в Европе. Его самой знаменитой жертвой был Сократ, чья смерть описана в «Федоне»[19], где в деталях показано развитие паралича – от ступней до грудной клетки[20].

Препараты, подобные кураре, например векуроний, нередко используют при оперативных вмешательствах в качестве мышечного релаксанта, облегчающего работу хирурга и позволяющего снизить уровень наркоза. Это особенно важно в хирургии брюшной полости, поскольку сокращение мышц живота может затруднить доступ к нужному органу. Хотя дыхательные мышцы меньше всего подвергаются действию кураре, пациентам обычно делают искусственную вентиляцию легких для облегчения дыхания. Недостатком использования препаратов, подобных кураре, является то, что при неадекватной анестезии пациент может находиться в сознании, но не способен двигаться, говорить или иным образом сообщить о своих страданиях. В США такое ежегодно случается с 0,1 % пациентов во время операций – примерно с 25 000 человек. Около трети из них могут чувствовать боль, связанную с операцией, а остальные осознают, что с ними происходит, не ощущая боли. Особенно часто эта проблема возникает при кесаревом сечении, когда применяют пониженный уровень анестезии во избежание воздействия наркоза на нерожденного младенца.

Нервно-паралитический газ

Совершенно ясно, чтобы мышца могла отреагировать на второй нервный импульс, первый сигнал должен быстро прекратиться. Это достигается двояким образом. Во-первых, нейромедиатор остается присоединенным к своему рецептору очень недолго, а затем самопроизвольно отделяется. Во-вторых, нейромедиатор быстро удаляется. В месте прилегания нервной и мышечной клеток ацетилхолин после выброса разрушается в течение пяти миллисекунд под действием фермента, так называемой ацетилхолинэстеразы, который находится в синаптической щели.

Вещества, ингибирующие ацетилхолинэстеразу, смертельны для организма. Наиболее известным веществом такого типа является нервно-паралитический газ зарин. Секта «Аум Синрикё» получила широкую известность в 1995 г., когда ее члены распылили рецептуру, содержащую зарин, в токийском метро, в результате чего 12 человек погибли, серьезное отравление получили 50 человек и временно потеряла зрение почти тысяча человек. Террористический акт был осуществлен в утренний час пик. Не менее жуткими были испытания, проведенные за 40 лет до этого в Великобритании.

В мае 1953 г. ряду молодых военнослужащих предложили поучаствовать в испытании нового средства против обычной простуды. Однако добровольцев обманули самым жестоким и непростительным образом, поскольку их подвергли действию не вируса простуды, а нервно-паралитического газа зарина. Двадцатилетний Рональд Мэддисон умер в ужасных муках после того, как вещество капнули на его кожу. Его конвульсии были настолько сильными, что очевидцам это напомнило казнь на электрическом стуле. Легкие у него забились слизью, и он умер от удушья. Мэддисон сыграл роль подопытной морской свинки, которую использовали для определения летальной дозы отравляющего вещества, необходимой для поражения вражеской живой силы. Свидетелем его смерти был молодой санитар скорой помощи Альфред Торнхилл, который был подавлен увиденным, а также невозможностью рассказать об этом, поскольку власти пригрозили ему тюремным заключением за разглашение информации. Инцидент быстро замяли, и информация о нем появилась лишь полвека спустя, когда полиция Уилтшира наконец начала второе расследование гибели Мэддисона. Прежний вердикт о смерти от несчастного случая был отменен и заменен на противозаконное убийство. Сестра Мэддисона заявила, что до расследования ни она, ни ее семья ничего не знали о том, как именно умер ее брат. Великобритания была не единственной в своем желании попробовать действие зарина на военнослужащих. Удивительно, но в 1960-х гг. американские военные ученые запрашивали у австралийского правительства разрешение на испытание нервно-паралитического газа на личном составе австралийской армии.

Ингибирование ацетилхолинэстеразы смертельно, поскольку это ведет к накоплению ацетилхолина в синаптической щели. Следствием является чрезмерная стимуляция ацетилхолиновых рецепторов и судороги. Поскольку ацетилхолин служит нейромедиатором в нервах, которые возбуждают железы, ингибиторы ацетилхолинэстеразы также вызывают чрезмерное слюноотделение и слезоотделение. Симптомы острого отравления зарином и другими нервно-паралитическими газами хорошо передаются мнемонической формулой SLUDGE (salivation, lacrimation, urination, diarrhoea, gastrointestinal upset и emesis): слюноотделение, слезоотделение, мочеотделение, диарея, расстройство желудочно-кишечного тракта и рвота. При поражении человек также может страдать от головокружения, раздражения кожных покровов, стеснения в груди и непроизвольного сокращения мышц. В самом тяжелом случае смерть может наступить от удушения в результате спазма грудных мышц.

В качестве противоядия при отравлениях нервно-паралитическими газами используют атропин. Он блокирует ацетилхолиновые рецепторы и таким образом сокращает воздействие избыточного ацетилхолина. Военный персонал снабжают автоинъектором Combo, который имеет подпружиненную иглу и контейнер с атропином. В СССР такое устройство называлось шприц-тюбик. Его применяют для быстрого самостоятельного введения антидота в чрезвычайной ситуации. В верхней части автоинъектора располагается таблетка валиума для снижения стресса (который как раз может быть очень полезным!). Передозировка атропина, однако, способна вывести солдата из строя, поскольку он блокирует действие ацетилхолина слишком эффективно. В этом случае прекращается передача информации в нервно-мышечном синапсе, а это приводит к мышечной слабости.

В качестве антидотов от нервно-паралитических газов используются также оксимы, но их обычно применяют заблаговременно до возможной химической атакой. Они реактивируют ацетилхолинэстеразу, удаляя остаток фосфата, который нервно-паралитический газ добавляет в фермент.

Смертельный калабарский боб

Другим веществом, которое ингибирует ацетилхолинэстеразу, является физостигмин, активный компонент физостигмы ядовитой (калабарского боба) Physostigma venenosum. В Нигерии это растение называют эзере, поэтому вещество получило альтернативное научное название «эзерин». Именно с помощью эзерина Фельдберг и Дейл продемонстрировали, что нервные окончания выделяют ацетилхолин, не допустив его разложения под действием эндогенной ацетилхолинэстеразы.

Родиной калабарского боба является Нигерия, где это растение веками использовали в племенных ритуалах для определения виновности человека в колдовстве или одержимости нечистой силой. Обвиняемого заставляли проглотить шоколадно-коричневые бобы и считали виновным, если он умирал, и невиновным, если бобы удавалось извергнуть из желудка. Результат на практике определяется количеством проглоченного яда, которое, в свою очередь, зависит от числа и зрелости бобов, а это позволяет манипулировать вводимой дозой для получения желаемого вердикта. Считается, что калабарский боб был использован при осуществлении чудовищного убийства в сентябре 2001 г., когда в Темзе обнаружили обезглавленное и лишенное конечностей тело юноши. Анализ содержимого его кишечника, проведенный в Королевском ботаническом саду в Кью, показал наличие остатков калабарского боба. Это помогло идентифицировать страну, откуда приехал юноша, и позволило детективам выдвинуть версию о том, он был отравлен во время ритуала черной магии перед расчленением.

В то же время вещества, подобные физостигмину, находят применение в медицине. Тяжелая псевдопаралитическая миастения – аутоиммунное заболевание, при котором организм вырабатывает антитела против мышечных ацетилхолиновых рецепторов. Каждое антитело имеет две «руки», которые захватывают два соседних ацетилхолиновых рецептора и связывают их вместе, после чего они удаляются с поверхности мембраны и уничтожаются мышечной клеткой. Как следствие число ацетилхолиновых рецепторов сильно сокращается, что затрудняет нервно-мышечную передачу сигнала, вызывает мышечную слабость, прогрессирующий паралич и атрофию мышц. К аналогичной мышечной слабости могут приводить мутации с потерей функции в генах, кодирующих ацетилхолиновые рецепторы мышечных клеток. У детей, родившихся с таким заболеванием, наблюдаются свисающие веки, отвисшая челюсть и открытый рот, они с трудом стоят, не говоря уже о ходьбе. Лечение обоих расстройств заключается в увеличении времени, в течение которого ацетилхолин находится в синапсе, путем торможения его разрушения под действием ацетилхолинэстеразы.

Первой использовать физостигмин для лечения тяжелой псевдопаралитической миастении начала доктор Мэри Уокер, тихая, скромная помощница начальника медицинской службы в больнице Сент-Алфидж в Гринвиче. Заметив сходство симптомов миастении с симптомами отравления кураре, она рассудила, что они должны в определенной мере сниматься физостигмином, известным антидотом от кураре. В 1934 г. доктор Уокер ввела физостигмин Дороти Кодлинг, 34-летней горничной, которая страдала болезнью уже шесть лет. Результат был потрясающим – Дороти, настолько слабая до этого, что не могла поднять чашку и встать с постели, стала ходить непродолжительное время после впрыскивания лекарства. Этот случай получил известность как «чудо Сент-Алфидж». Метод, придуманный Мэри Уокер, применяется до настоящего времени.

Верхом на молнии

Химическая передача информации победила в войне химического и электрического начал. Тем не менее электрическая передача сигнала между клетками все же происходит. В электрических синапсах мембраны примыкающих клеток подходят чрезвычайно близко друг к другу и физически связаны через специальные образования, называемые щелевыми контактами. Каждый щелевой контакт образуется несколькими сотнями каналов, расположенными близко друг к другу в виде полукристаллической решетки. Каналы щелевого контакта имеют уникальное строение – они состоят из двух половин, встроенных в мембраны соседних клеток. Когда они соединяются, образуется канал для перетока ионов непосредственно из одной клетки в другую, что обеспечивает очень быстрое распространение электрического сигнала.

Передача сигнала в электрических синапсах происходит в 10 раз быстрее, чем в химических синапсах, поскольку в них отсутствуют такие занимающие время процессы, как выброс нейромедиатора, его диффузия через щелевой контакт и присоединение к постсинаптическим рецепторам. В результате электрические синапсы нередко отвечают за инициирование защитных реакций, таких как выброс реактивной струи кальмаром в случае опасности, выброс чернил каракатицей для маскировки от врагов и быстрое отдергивание дождевого червя и уползание в нору, когда его клюет птица.

Высокая скорость передачи сигнала делает электрические синапсы идеальными для синхронизации электрической активности соседних клеток, поэтому они есть во всех частях организма. Клетки сердца связаны друг с другом щелевыми контактами, именно поэтому они сокращаются так согласованно. Щелевые контакты связывают вырабатывающие инсулин бета-клетки в поджелудочной железе, именно поэтому они могут выбрасывать инсулин одновременно. Нейроны в некоторых областях головного мозга также имеют электрическую связь, что позволяет им возбуждаться всем сразу. Поры в щелевом контакте значительно крупнее большинства других каналов, поэтому они пропускают внутриклеточные сигнальные молекулы, небольшие метаболиты, а также ионы. Таким образом, щелевые контакты не только связывают клетки электрически, но и обеспечивают согласование биохимической активности соседних клеток. Каналы щелевых контактов, по всей видимости, играют важную роль в нашей коже, поскольку наследственные генетические дефекты, приводящие к их утрате, вызывают кожные заболевания. У людей с такими дефектами могут появляться кожные утолщения на ладонях и подошвах стоп, а также видоизменяться зубы, волосы и ногти.

Прыжок через синаптическую щель

Хотя основное внимание в этой главе уделяется функционированию синаптической щели между нервной и мышечной клетками, синапсы бывают не только нервно-мышечными. Синапсы существуют между нервными клетками и клетками желез и, что очень важно, между различными нервными клетками, как будет показано дальше. Во всех этих местах основной является химическая передача сигнала, в которой участвует масса различных нейромедиаторов. Однако почему химическая передача сигнала предпочтительнее электрической?

Одна из причин заключается в том, что и более низкая скорость, и сложность механизма более приемлемы, когда интеграция множества сигналов может давать преимущество. Другой причиной может быть просто то, что такой способ передачи сигналов отражает путь эволюции сигнального механизма клеток. Многие простейшие организмы, состоящие из единственной клетки, такие как бактерии, передают информацию друг другу с помощью химических мессенджеров, что позволяет им действовать как огромная команда со скоординированными стратегиями защиты и нападения. Также использование химических веществ для передачи информации от одной клетки к другой не ограничивается нервной системой. Химические мессенджеры широкого действия, известные как гормоны, передают информацию между клетками нашего организма, которые расположены на довольно большом расстоянии. Множество разных гормонов постоянно циркулируют в организме, влияя на наше настроение, поддерживая водно-солевой баланс, стимулируя рост клеток, настраивая нас на борьбу со стрессами и даже регулируя секрецию других гормонов. Феромоны, переносимые по воздуху, обеспечивают коммуникацию между организмами и действуют как сексуальные признаки (аттрактанты), территориальные метки и сигналы тревоги. Похоже, что нервы просто адаптировали эту универсальную химическую сигнальную систему для своих целей.

На просторах сельского штата Теннесси встречаются очень необычные козы. Их называют по-разному: обморочными, столбенеющими, миотоническими – за то, что они падают при испуге. Такие определения совершенно неправильны, поскольку эти козы вовсе не падают в обморок и не лишаются сознания. Просто они теряют способность нормально ходить и нередко падают при испуге из-за того, что их мышцы деревенеют и ноги перестают гнуться. Все это напоминает чрезвычайно сильный спазм, при котором мышцы сокращаются настолько сильно, что животное можно даже поднять, а его ноги так и останутся прямыми, – оно буквально столбенеет от страха. Приступ продолжается всего несколько секунд, после чего коза убегает как ни в чем не бывало.

Происхождение миотонических коз покрыто тайной. Рассказывают, что в 1880 г. человек по имени Тинсли приехал на ферму в центральной части Теннесси и привез нескольких коз и индийского горбатого быка зебу. Он никому не рассказывал, где взял этих коз и откуда приехал сам. Через год он уехал в неизвестном направлении, а коз оставил. По другой истории, выдаваемой за подлинную, странное поведение коз проявилось, когда одну из них застрелили, чтобы съесть на ужин. Единственное, чему можно верить, является то, что раздражитель вроде резкого громкого звука заставляет их падать, например, когда уличный оркестр начинает неожиданно играть или проходящий поезд дает гудок. В некоторых городках Теннесси состязания по «паданию в обморок» даже являются частью ежегодной выставки коз, а козам, которые падают в обморок быстрее всех и остаются лежать дольше остальных, присуждают приз. Против этого, наверное, выступают защитники прав животных, обвиняя устроителей состязания в жестокости. Однако миотонические козы обычно являются домашними любимицами, и их держат за необычность, а не как источник мяса.

Электропроводка наших мышц

Мышцы, которые приводят в движение наши конечности, состоят из множества клеток, называемых мышечными волокнами. Они собраны в пучки, придающие мясу волокнистую структуру. Нервные клетки, управляющие мышцами, называют двигательными нейронами. В случае их повреждения или нарушения работы мышцы теряют способность двигаться в ответ на наше желание и постепенно атрофируются от бездействия. Это случается, например, при поражении двигательных нейронов, когда их прогрессирующая дегенерация приводит к слабости и атрофии мышц и в конечном итоге к нарастающей неспособности двигать конечностями и затруднениям при разговоре, глотании и дыхании.

Каждая мышечная клетка возбуждается отдельным двигательным нервным волокном, клеточное тело которого находится в головном или спинном мозге. Вместе с тем одна нервная клетка может возбуждать несколько тысяч мышечных волокон, поскольку ее концевая часть имеет множество ответвлений. Нерв и обслуживаемые им мышечные волокна совместно называются двигательной единицей, и, когда нерв возбуждает мышечные волокна, все они сокращаются синхронно. Мышечные волокна, входящие в двигательную единицу, распределены по мышце и нередко находятся довольно далеко друг от друга. Хотя это может показаться странным, в такой организации есть глубокий смысл. Она обеспечивает распределение усилия, генерируемого при возбуждении отдельного двигательного нерва, по всей мышце. В противном случае усилие было бы сконцентрировано в одном месте, а это чревато разрывом мышцы. В мышцах, отвечающих за мелкие движения, двигательные единицы формируются из меньшего числа мышечных волокон – мышцы пальцев человека, например, имеют меньше волокон на двигательную единицу, чем мышцы ног.

Три двигательные единицы окрашены в темно-серый, светло-серый и белый цвет. Каждый двигательный нерв начинается в спинном мозге и возбуждает множество мышечных волокон, из которых сложена мышца.

Контакт нерва с мышцей располагается около центральной части волокна, где нерв разделяется на несколько крошечных ответвлений, каждое из которых образует синапс с мышцей. О строении синапса мы говорили в предыдущей главе. Мышечная мембрана у нервного окончания образует многочисленные складки, увеличивающие площадь поверхности и позволяющие разместиться значительно большему числу ацетилхолиновых рецепторов. Возбуждение нерва приводит к обильному выбросу ацетилхолина, который диффундирует через синаптическую щель и присоединяется к рецепторам.

Как и в нервном волокне, да и во всех остальных клетках нашего организма, в мышечных волокнах существует разность потенциалов на мембранах, при этом потенциал внутри клетки более отрицателен, чем снаружи. Открытие каналов ацетилхолиновых рецепторов приводит к снижению этой разности потенциалов и смещает мембранный потенциал в положительную сторону. Точно так же, как и в нервных клетках, в результате изменения мембранного потенциала открываются натриевые каналы мышцы и генерируется электрический импульс (потенциал действия), который течет по мышечному волокну в обоих направлениях от точки зарождения. Потенциал действия быстро распространяется по поверхности мышечной клетки и затем достигает сети трубчатых впячиваний внешней мембраны, которые идут прямо в центр волокна (так называемых T-трубочек). Это позволяет потенциалу действия глубоко проникнуть в волокно и обеспечить одновременное согласованное сжатие всех сокращающихся нитей. Тот факт, что сокращение отдельно взятой мышечной клетки подчиняется закону «все или ничего», т. е. либо полностью, либо никак, был известен задолго до того, как выяснилось, что и потенциал действия подчиняется этому закону.

В нормальном мышечном волокне один нервный импульс приводит к возникновению одного потенциала действия, который вызывает одно сокращение, например при моргании глаза. Чтобы восстановиться, мышце требуется некоторое время, поэтому продолжительность отдельного мышечного сокращения значительно больше длительности электрического импульса. Это означает, что при повторяющемся возбуждении сокращения сливаются и в мышце поддерживается стойкое сокращение, известное как контрактура. Это позволяет прикладывать постоянное усилие к тому или иному предмету. Силу, прикладываемую мышцей, можно увеличивать не только путем более частого возбуждения отдельного мышечного волокна, но и через задействование большего числа двигательных единиц. Любое действие, от ввода этих слов с помощью клавиатуры до удара по мячу при игре в сквош, требует сложного согласованного движения множества мышц и точного управления их сокращением мириадами электрических импульсов в нервах и мышцах.

Потенциал действия мышц аналогичен потенциалу действия нервных клеток – он инициируется открытием натриевых каналов и прекращается открытием калиевых каналов. Вместе с тем различие генов участвующих в этом ионных каналов объясняет, почему мутация в натриевом канале мышцы не влияет на натриевые каналы нерва (и наоборот) и почему токсины, которые поражают нервы, не всегда действуют на мышцы. В генерировании потенциала действия в мышце, кроме того, задействовано больше типов ионных каналов, чем в аксонах. Особо важную роль играют кальциевые и хлоридные каналы, называемые так потому, что они избирательно пропускают соответствующие ионы. Мутации в любом из типов каналов, участвующих в генерировании мышечного потенциала действия, могут приводить к нарушениям функционирования мышц.

Импрессив – троянский конь

Лошади породы американская четвертьмильная были выведены для забегов на дистанцию четверть мили (отсюда и название породы), их, кроме того, использовали для перегона крупного рогатого скота, поскольку они демонстрировали исключительную резвость на коротких дистанциях. В наши дни их чаще держат как выставочных лошадей. У некоторых самых красивых представителей этой породы наблюдается мутация гена мышечного натриевого канала, которая вызывает расстройство, называемое гиперкалиемическим периодическим параличом (HYPP). Лошади с HYPP-мутацией очень чувствительны к концентрации ионов калия в крови – у них наступает паралич при ее повышении. К сожалению, высокая концентрация калия естественна для такой кормовой культуры, как люцерна, и поедание люцернового сена нередко приводит к приступам вялого паралича. Он начинается с мышечной дрожи и слабости, переходит в нетвердую походку и пошатывание, а иногда может быть таким сильным, что лошадь запинается и падает. Страдающие таким недугом животные переносят приступы без последствий, но продолжительность жизни имеющих мутацию часто меньше, чем у здоровых.

Мутация, вызывающая HYPP, приводит к тому, что мышечные натриевые каналы инактивируются не полностью. В результате ионы натрия непрерывно поступают в клетку, снижая градиент потенциала на мышечной мембране и повышая возбудимость мышц. Мышцы при этом могут сокращаться, даже когда лошадь стоит на одном месте. Такие спонтанные сокращения мышц создают впечатление, будто под кожей животного извиваются черви. Кроме того, они приводят мышцы в потрясающее физическое состояние – ведь животное фактически непрерывно выполняет изометрические упражнения. Во время приступа потенциал на мышечной мембране падает настолько, что натриевые каналы закрываются (говорят, что они инактивируются). Как результат мышцы не могут поддерживать сокращение, сколько бы их ни возбуждали, они становятся слабыми и вялыми, и лошадь падает

Хорошо развитая мускулатура – очень ценное качество для выставочной лошади, и животные с HYPP нередко получают призы. Как следствие программы селекционного отбора по уровню развития мышц 4 % лошадей породы американская четвертьмильная находятся в группе риска по этому заболеванию. Все они имеют общего предка – жеребца по кличке Импрессив (т. е. впечатляющий). Эту кличку он получил не за численность произведенного потомства, а за силу мышц. Его потрясающее физическое состояние и куча завоеванных призов породили огромный спрос на него как на производителя. Лишь впоследствии выяснилось, что его потомство унаследовало не только великолепные мышцы, поскольку жеребец по кличке Импрессив, подобно троянскому коню, нес в себе еще и зловещий дар.

Из-за того, что для заболевания требуется всего один экземпляр мутантного гена, примерно половина потомства этого жеребца подвержена HYPP. Животные, которые несут два экземпляра мутантного гена, подвержены более тяжелым формам заболевания. Поскольку болезнь диагностируется с помощью простого генетического теста, от нее можно было бы легко избавиться, если бы владельцы согласились исключить разведение животных с одним экземпляром мутантного гена. Эту идею, однако, оказалось трудно реализовать, учитывая, что страдающие генетическим нарушением лошади приносят больше призов и, как следствие, больше ценятся. Тем не менее с 2007 г. жеребята – носители двух экземпляров мутантного гена больше не регистрируются в Ассоциации лошадей породы американская четвертьмильная.

Люди тоже могут страдать от подобных нарушений. При употреблении в пищу богатых калием продуктов вроде абрикосов и бананов больные чувствуют слабость и не могут двинуться после большой физической нагрузки или когда просыпаются. Во время приступа их конечности становятся дряблыми и безвольно висящими как у тряпичной куклы. При редкой форме заболевания, известной как врожденная парамиотония, у людей наблюдается мышечная ригидность, когда они переохлаждаются, и этот симптом становится еще более выраженным после физической нагрузки. Это не смертельно, но страшно неприятно, когда вы обнаруживаете, что руки буквально прирастают к лопате при уборке снега, что не можете выпустить из рук металлический руль велосипеда после поездки в холодную погоду, что деревенеете и чувствуете слабость при пробежке по морозцу, что от обычного мороженого невозможно разжать челюсти и вы не можете разговаривать.

HYPP у людей может возникать в результате множества разных мутаций, однако, как и в случае заболевания лошадей, все они делают мышечные натриевые каналы «неплотными». В одних случаях это приводит к чрезмерной возбудимости мышечных волокон, заставляя мышцы дрожать или деревенеть, как при врожденной парамиотонии. В других случаях мышцы совершенно теряют возбудимость так, что больше не могут сокращаться, и человека парализует. Такие состояния провоцируются незначительным увеличением концентрации калия в крови, именно поэтому употребление в пищу богатых калием продуктов вызывает приступ. Хотя любой из нас будет чувствовать мышечную слабость при слишком сильном увеличении уровня калия в крови, люди с HYPP отличаются чрезвычайной чувствительностью к концентрации калия.

Остолбеневший от страха

Натриевые каналы – не единственные ионные каналы мышечных клеток, которые могут создавать проблемы. Наследственное расстройство, похожее на заболевание обморочных коз из штата Теннесси, встречается и у людей. Его впервые описал в 1876 г. немецкий врач Асмус Юлиус Томсен. И он сам, и вся его семья (более 20 человек) на протяжении пяти поколений страдали этим заболеванием. Томсен назвал болезнь врожденной миотонией (от слов myotonia – мышечное напряжение и congenita – наследственный). Любопытно, что он скрывал свою болезнь, пока ему не перевалило за 60, а его сына, который также страдал от нее, не обвинили в симуляции и использовании своего состояния для уклонения от военной службы. Томсен опубликовал результаты своего исследования, чтобы защитить сына.

Люди с врожденной миотонией не могут расслабить мышцы. Все, что требует сильного сокращения мышц, приводит к мышечному «спазму». Стоит им поднять тяжелый чемодан, например, и они не могут разжать руки после того, как поставят его. Известен случай, когда человек, схватившийся за поручень движущегося трамвая, но не успевший запрыгнуть на подножку, не смог разжать руку, и его протащило вдоль трамвайных путей.

Проявления этой болезни усиливаются, когда страдающие ею пытаются сделать резкое движение после отдыха, и постепенно ослабевают в результате постоянной тренировки. Даже во время отдыха их мышцы постоянно испытывают очень слабые подпороговые сокращения. Как и лошади с HYPP, они словно выполняют непрерывные изометрические упражнения. В результате такие люди имеют отличное телосложение и очень хорошо развитую мускулатуру – настолько хорошо, что они смахивают на занимающихся бодибилдингом. Однако, несмотря на атлетическую фигуру, мышцы нередко подводят их. Один больной рассказывал, что стоит ему присесть и занять положение низкого старта, а потом резко встать, как его мышцы тут же застывают. Он говорил, что его «ноги будто защелкиваются в полностью вытянутом состоянии. Это похоже на ходьбу на ходулях». Фактически он начинал бежать лишь на последних 20–30 метрах.

Козы показывают направление

Миотонические козы оказались ключом к пониманию причин врожденной миотонии у человека. Физиолог Ширли Брайант из Цинциннати всегда интересовался мышечными расстройствами. Выдающийся и жизнерадостный человек, который щеголял «конским хвостом» на голове даже в семидесятилетнем возрасте, Брайант активно настаивал на том, что изучение болезней животных может пролить свет на сходные заболевания людей, и держал необычный зверинец, все обитатели которого имели наследственное расстройство функции движения, в том числе голуби-турманы, сизоворонки и редкое австралийское сумчатое животное роттнестская квокка. Поэтому, прочитав в конце 1950-х гг. о козах из штата Теннесси, которые падают каждый раз, когда слышат гудок проезжающего мимо поля поезда, он решил провести исследование.

Брайант отправился в путь на нанятом грузовике, за рулем которого сидел бывший осужденный. С первого захода ему так и не удалось получить коз для экспериментов. Опасаясь жалоб с его стороны на то, что ему подсунули дефектных животных, фермеры предлагали только здоровых коз. Брайанту пришлось еще раз объехать Теннесси и постараться убедить фермеров, что ему нужны именно обморочные козы.

Вернувшись в свою лабораторию, Брайант взял у коз под наркозом небольшой образец межреберной мышечной ткани. Операция была простой, безболезненной и не причинявшей вреда животному – на практике множеству пациентов приходится проходить такую процедуру. Особенность таких межреберных мышц заключалась в том, что они были очень короткими и их можно было вырезать от сухожилия до сухожилия без повреждений. Сначала Брайант ввел один тонкий стеклянный электрод в клетку, чтобы замерить разность потенциалов на клеточной мембране, а затем второй электрод, чтобы стимулировать электрическую активность. Он знал, что в нормальном мышечном волокне приложение небольшого положительного тока приводит к появлению одного потенциала действия и к однократному сокращению мышцы. Однако в мышечных волокнах миотонических коз такой ток вызывал шквал импульсов, которые порою долго не прекращались после окончания стимулирования. Фактически они генерировались без поступления соответствующего сигнала. Это заставляло мышцу долго оставаться в сокращенном состоянии и объясняло, почему ноги коз деревенели, а сами животные падали – просто их мышцы возбуждались слишком сильно. Аналогичная реакция была обнаружена и у больных с врожденной миотонией, что указывало на одинаковое происхождение заболеваний человека и коз.

При стимулировании миотоническая мышца генерирует больше электрических импульсов, и импульсы продолжаются даже после прекращения стимулирования. Если электрический сигнал подать на усилитель звуковой частоты, то нормальная мышца будет давать однократный «щелчок» при стимулировании, а миотоническая мышца звучит как пикирующий бомбардировщик.

В отличие от нервных волокон мышечные волокна имеют высокую плотность хлоридных каналов, и в нормальной мышце поток ионов хлора через мембрану снижает электрическую возбудимость, гарантируя, что один нервный импульс вызовет только одно мышечное сокращение. Брайант предположил, что в миотонической мышце могут отсутствовать функционирующие хлоридные каналы, что повышает возбудимость и приводит к устойчивому сокращению. Его эксперименты поддерживали эту идею, хотя отсутствие в то время подходящего инструмента для фиксации напряжения в мышце не позволяло напрямую измерить хлоридный ток. Несколько лет спустя Ричард Эдриан, специалист по физиологии мышц из Кембриджского университета в Англии, изобрел именно такой инструмент, который требовался Брайанту для подтверждения его теории.

В 1973 г. Брайант получил разрешение приехать в Англию вместе с его четырьмя драгоценными козами. Ввезти коз в Англию было непросто из-за опасения завезти вместе с ними болезнь, известную как «синий язык», и требовалось специальное постановление парламента. В конце концов оно было получено и выглядело как «Постановление № 1 об импорте коз». Эта история привлекла внимание средств массовой информации, она даже попала на первую полосу газеты The Wall Street Journal. Несмотря на все это, коз чуть было не завернули. Их задержали в лондонском аэропорту Хитроу, поскольку на них не было документов. Брайант уехал в Кембридж заранее, чтобы организовать там все необходимое для приема коз, а оформление сопроводительных документов поручил своему коллеге. Но тот забыл сделать это! Опасаясь, что коз просто застрелят, Брайант стал звонить своему кембриджскому коллеге. Оторванному от завтрака Эдриану, хотя и с друдом, удалось убедить власти в том, что требование немедленно уничтожать животных без необходимых документов при прибытии применяется только в том случае, если их «выгружают на берег», но не тогда, когда их «выгружают из самолета». Козам дали отсрочку один день, но этого, к счастью, хватило, чтобы получить нужные документы.

Перфекционист по натуре и немного канительщик, Брайант так и не собрался опубликовать значительную часть результатов, которые он и Эдриан получили в Кембридже с помощью метода фиксации напряжения. Они добавились к массе других неопубликованных документов, занимавших целый шкаф (посетители лаборатории Брайанта нередко удивлялись тому, что он не публикует никакой информации об элегантных экспериментах, поставленных им ранее, – ведь они могли быть полезными для решения некоторых текущих проблем). Тем не менее их исследования ясно показали, что в миотонических мускулах наблюдаются более слабые хлоридные токи и что это вполне объясняет причину многократности повторения потенциала действия, характерной для миотонии.

В 1992 г. ген, кодирующий мышечный хлоридный канал человека, был секвенирован, что позволило страдающим врожденной миотонией пройти тестирование для выявления мутаций. Первые мутации обнаружились практически сразу же – а вскоре они были найдены и у потомков Томсена. В настоящее время описаны десятки других мутаций гена хлоридных каналов, в том числе и тот, что является причиной миотонии у коз. Все они приводят к потере функции. Помимо этого, как оказалось, одеревенение мышц, подобное тому, что наблюдается при врожденной миотонии, может возникать и при мутациях генов других ионных каналов. Миотония Томсена, однако, имеет особое научное значение, поскольку она является первым расстройством, которое было связано с дефектом ионных каналов. Впоследствии было обнаружено множество других связанных с ионными каналами заболеваний, такое множество, что они получили собственное собирательное наименование. Их называют каналопатиями.

Сопряжение «возбуждение – сокращение»

Вопрос о том, как мышечный потенциал действия заставляет скелетное мышечное волокно сокращаться, не давал покоя ученым на протяжении столетий. Сейчас мы знаем, что сокращение мышцы инициируется повышением внутриклеточной концентрации ионов кальция. В состоянии покоя концентрация кальция внутри мышечной клетки предельно низкая. Электрическое стимулирование мышцы вызывает резкий рост концентрации кальция, который прикрепляется к сократительным белкам и укорачивает мышцу. Ионы кальция при этом поступают не столько из внеклеточного пространства, сколько из ограниченного мембраной внутриклеточного хранилища, называемого саркоплазматической сетью. Кальциевые каналы, известные как рианодиновые рецепторы, располагаются в мембране саркоплазматической сети и регулируют поступление кальция. Когда они открыты, кальций выбрасывается внутрь мышечного волокна и инициирует сокращение мышцы. Когда они закрыты, кальций быстро выкачивается обратно в хранилище, и мышца расслабляется. Рианодиновые рецепторы получили такое название из-за того, что они имеют очень высокое сродство к растительному алкалоиду рианодину.

Как в точности потенциал действия скелетной мышцы инициирует открытие рианодиновых рецепторов, остается в определенной мере загадкой. В конце концов, потенциал действия генерируется в внешней мембране мышечной клетки, а рианодиновые рецепторы расположены в мембранах внутриклеточных хранилищ. Хотя эти мембраны находятся близко друг от друга в местах прилегания в зоне трубчатых впячиваний внешней мембраны, они реально не соприкасаются. Понятно, что в процессе каким-то образом участвуют чувствительные к потенциалу кальциевые каналы в мембранах T-трубочек. В соответствии с одним из наиболее популярных предположений два вида кальциевых каналов находятся в непосредственном физическом контакте, и каналы рианодиновых рецепторов фактически управляются датчиками потенциала кальциевых каналов T-трубочек. В результате потенциал действия мышечной клетки открывает рианодиновые рецепторы, обеспечивая выброс ионов кальция из внутриклеточных хранилищ и инициируя сокращение мышцы.

Мембраны наших мышечных клеток насыщены ионными каналами. Кальциевые каналы в T-трубочках реагируют на разность потенциалов и передают эту информацию рианодиновым рецепторам, которые находятся во внутриклеточных мембранах саркоплазматической сети, хранилища кальция в мышечной клетке. Когда рианодиновые рецепторы открыты, кальций выходит наружу, присоединяется к сократительным нитям и заставляет мышцу укорачиваться. Мышца расслабляется, когда кальций закачивается обратно в хранилище, и его внутриклеточная концентрация падает. Хлоридные каналы также расположены на внешней мембране и в T-трубочках.

Разрази меня гром![22]

Мутации в рианодиновых рецепторах – каналах для выбрасывания кальция из внутриклеточных хранилищ – также могут приводить к различным расстройствам. Злокачественная гипертермия – редкая патология, поражающая небольшое число людей (примерно одного человека на 20 000 взрослых), однако оно является кошмаром для анестезиологов. Когда страдающему заболеванием дают общий наркоз, например используют галотан или определенные виды миорелаксантов, эта процедура инициирует непроизвольное сокращение скелетных мышц и заметное усиление мышечного метаболизма, что повышает тепловыделение и приводит к очень быстрому подъему температуры тела – иногда на 1 °С каждые пять минут. По существу у пациентов просто начинается горячка. Такой приступ требует неотложного медицинского вмешательства – если его не снять немедленно, то повышение температуры тела может стать фатальным. Это одна из основных причин гибели пациентов от наркоза.

Злокачественная гипертермия бывает также у свиней, в этом случае ее называют синдромом стресса у свиней. Когда-то она была распространена в Великобритании и оказывала серьезное воздействие на экономику, поскольку не только приводила к гибели свиней, но и делала их мясо очень бледным, мягким и негодным для продажи. Как следует из названия этого заболевания, оно инициируется любыми формами стресса, включая физическую нагрузку, секс (у кабанов), опорос, перевозку на рынок или просто содержание в стесненных условиях. Причиной является мутация в рианодиновых рецепторах, которая приводит к увеличению вероятности открытия и сбою механизма закрытия каналов и, как следствие, к увеличению концентрации кальция в мышечной клетке, стимулированию метаболизма, сокращению мышц и повышению температуры тела. Кожа животного становится красной и покрытой пятнами, и оно может умереть от теплового удара в течение 20 минут после начала приступа.

Все больные свиньи имеют одну и ту же мутацию и общего предка, у которого эта мутация возникла случайным образом. Распространение синдрома стресса у свиней в Великобритании было связано с тем, что целью селекционной работы было выведение породы с постным мясом и уменьшенной прослойкой хребтового сала, а эти признаки, к несчастью, оказались связанными с геном, несущим злокачественную гипертермию. Нежирные животные с развитой мускулатурой намного чаще имеют мутировавший ген. Ген синдрома стресса у свиней в настоящее время почти полностью исключен в поголовье британских свиней с помощью простого приема – каждому животному дают вдохнуть немного препарата для общего наркоза (например, галотана). Свиней, у которых наблюдается напряжение мышц и подъем температуры тела на 2 °С в течение пяти минут, исключают из числа производителей.

Свиньи стали ключом для понимания молекулярной основы заболевания людей. После установления причины синдрома стресса у свиней соответствующие мутации довольно быстро обнаружили в рианодиновых рецепторах примерно трети семей, страдавших злокачественной гипертермией. Считается, что у них наркоз приводит к необычной «неплотности» рианодиновых рецепторов и свободному прохождению ионов кальция через них. Их выброс из внутриклеточных хранилищ инициирует устойчивое сокращение мышц и одеревенение. Это, в свою очередь, стимулирует мышечный метаболизм настолько сильно, что температура тела может подскочить до опасного уровня.

Поскольку болезнь передается наследственным путем, в настоящее время есть возможность заранее определить, может ли анестезия вызывать проблемы у членов семьи, и принять соответствующие меры. Кроме того, такое лекарственное средство как дантролен, блокирующее выброс кальция из внутриклеточных хранилищ, теперь держат наготове во всех операционных на случай злокачественной гипертермии. Первыми обнаружили эффект дантролена Ширли Брайант и Кит Эллис. Их открытие позволило спасти множество жизней, поскольку оно снизило смертность от приступов с 80 % в 1970-х гг. до 10 % в наши дни.

У Брайанта был давний интерес к электричеству – в самом начале карьеры его здорово тряхнуло. Еще во время учебы он участвовал в разработке генератора молний для стенда General Electric на всемирной выставке и получил удар электрическим током напряжением 30 000 В. К счастью для страдающих врожденной миотонией и злокачественной гипертермией, Брайант выжил.

Как было показано выше, электрическая активность наших мышечных волокон инициирует сокращение мышц, обеспечивая одновременность сокращения всех частей волокна. Без этого наши мышцы просто не работали бы. У некоторых живых существ, однако, мышечный потенциал действия имеет совсем другое назначение. Модифицированные мышечные волокна, потерявшие способность сокращаться, эволюционировали в особые электрические органы, в которых потенциалы действия множества клеток суммируются и генерируют значительный электрический разряд. В следующей главе небольшое, но довольно интересное отступление показывает, как животные используют токи, генерируемые электрическими органами, для нападения, защиты, навигации и коммуникации.

Способность электрического ската поражать свои жертвы ударом тока известна со времен античности. Она даже упоминается в диалогах Платона{12}, где Менон, ошеломленный аргументами Сократа, сравнивает философа с рыбой. Он говорит следующее: «А если я осмеливаюсь пошутить, ты становишься, на мой взгляд, и внешне, и в других отношениях, очень похожим на плоскую морскую рыбу, ската. Она ошеломляет тех, кто подходит и дотрагивается до нее, подобно тому, как ты ошеломил меня. Мой разум и мой язык парализованы, и я не знаю, как ответить тебе». В других классических произведениях встречаются упоминания о том, как у рыбаков отнимались руки, когда им случалось загарпунить ската или поймать его сетью. Именно за способность парализовать эта рыба получила свое научное название Torpedo – на латыни слово torpere означает «оцепенеть», а от греческого названия рыбы – нарке – происходит наше слово «наркотик». Классических писателей озадачивало то, что ошеломляющий удар от рыбы можно было получить на расстоянии, для этого необязательно до нее дотрагиваться.

Научное изучение электрических рыб началось в 1700-х гг. после рассказов возвратившихся из Африки путешественников об «оглушающей рыбе», при прикосновении к которой человека начинает трясти. Речь шла об африканском электрическом соме Malapterurus electricus. Французский натуралист Мишель Адансон, увидевший эту рыбу во время поездки по Сенегалу, первым провел аналогию между ощущениями при прикосновении к сому с реакцией на разряд лейденской банки и сделал вывод, что рыба тоже может генерировать электричество.

Барельеф из гробницы Ти в Саккаре (примерно 2750 г. до н. э.). Четвертая рыба слева непосредственно под лодкой – это сом Malapterurus electricus. Человек в лодке дотрагивается до другой рыбы с усами, возможно, это тоже сом. Если это действительно так, то он должен получить сильный удар электрическим током.

Электрический сом был хорошо известен в Древнем Египте. Его можно увидеть на многих рисунках и фресках из гробниц, в частности на барельефе с изображением сцены рыбной ловли из гробницы Ти в Саккаре, который датируется 2750 г. до н. э. Мумифицированного сома находят в пирамидах фараонов. Он играет важную роль в мифе об Осирисе. В изложении Плутарха Осирис был предательски убит своим братом Сетом, а его тело было разорвано на 14 частей. Убитая горем жена Осириса отыскала все части тела своего мужа, кроме пениса, который был брошен в Нил и съеден сомом и двумя другими рыбами. Возможно, поэтому древние египтяне не употребляли сома в пищу.

Как ни странно, но исламские авторы считали сома приворотным средством, а жители Северной Африки – афродизиаком, несмотря на то, что первые миссионеры описывали его как «создание, которое ни один человек не мог взять в руки, пока оно было живым, ибо руки пронзала такая боль, словно все суставы раздирались на части». Это было неудивительно, поскольку напряжение электрического разряда, который генерировал сом, достигало 350 В.

Самый сильный разряд генерирует южноамериканский электрический угорь Electrophorus electricus. Несмотря на общепринятое название, Electrophorus относится не к угрям, а является представителем семейства нотоптеровых – он просто похож на угря. Первое его описание дали миссионеры-иезуиты еще в XVI в., назвав индийским скатом. Однако лишь в XVIII в. люди начали заниматься выяснением природы оружия этой рыбы и пришли к выводу, что парализующий эффект должен быть результатом электрического разряда. Хотя в конечном итоге угрей стали привозить в США и в Лондон, мало кто мог позволить себе роскошь экспериментировать с ними при цене 50 гиней за штуку, что было очень значительной суммой в те дни{13}. К тому же угри находились не в лучшей форме после длительного путешествия. Намного более привлекательной для отважных молодых людей казалась поездка поближе к угрям, на их родину. Одним из таких ученых-экспериментаторов был Александр фон Гумбольдт.

Сногсшибательно!

Движимый жаждой приключений и желанием «забыть о повседневной скуке в удивительном мире», 29-летний фон Гумбольдт отправился в 1799 г. в Южную Америку навстречу научным открытиям. Его рассказ об экспедиции, написанный по возвращении пять лет спустя, быстро превратился в бестселлер. Он стал источником вдохновения для молодого Чарльза Дарвина, по словам которого, этот отчет «зажег в нем страстное желание внести хоть какой-нибудь вклад в возведение величественного здания Естествознания».

Фон Гумбольдт был превосходным экспериментатором и живо интересовался опытами Гальвани с лягушками (отчеты о которых были опубликованы несколькими годами ранее). Ему очень хотелось добраться до электрических угрей, водившихся в притоках реки Ориноко. Это, однако, оказалось нелегким делом, поскольку страх получить электрический удар оказался настолько сильным, что местные индейцы не желали ловить угрей. Они не скупились на обещания, но угри от этого не появлялись. Деньги не играли никакой роли – они мало интересовали местные племена. Не выдержав, фон Гумбольдт собрался было ловить угрей самостоятельно, но тут местные проводники сжалились над ним и предложили помочь в «рыбной ловле с помощью лошадей». Фон Гумбольдт написал, что «представить такой способ рыбной ловли было крайне трудно, но скоро наши проводники возвратились из саванны со стадом диких лошадей и мулов. Лошадей было порядка трех десятков, и их загнали в воду».

Он живо описывает последовавшую свалку. «Невероятный шум от топота копыт заставлял рыбу выскакивать из ила и атаковать. Эти серовато-синие с желтым угри, похожие на огромных водяных змей, поднимались к поверхности и норовили проплыть под брюхом лошади». Лошади, конечно, пытались убежать, но индейцы не давали им сделать этого, они пронзительно кричали и загоняли животных обратно в реку с помощью заостренных палок. Сражение было жарким. «Угри, ошеломленные шумом, защищались, используя свое электрическое оружие. В какой-то момент казалось, что они могут победить. Несколько лошадей упали, получив удар током в наиболее чувствительные органы, и скрылись под водой. Остальные тяжело дышали, их гривы стояли дыбом, глаза налились кровью. Они боролись и старались избежать грозы, разразившейся в воде». Некоторым из них наконец удалось выбраться на берег, где они падали без сил на песок, очумев от ударов током.

Через несколько минут накал битвы спал, и все кончилось. Обессиленные угри подплывали к берегу и становились легкой добычей индейцев, которые били их острогами, привязанными к длинным веревкам. Большинство лошадей остались живы. По признанию фон Гумбольдта, погибшие вряд ли были убиты током – оглушенные они просто попадали под копыта других лошадей и тонули. Такой оригинальный метод ловли был успешным потому, что, подобно электрической батарее, угри быстро теряли заряд и их оружие переставало действовать. Пока заряд восстанавливался, угри были безопасными и становились легкой добычей.

Интерес фон Гумбольдта к электрическим угрям был не только научным. По его словам, их мясо отличалось неплохим вкусом, хотя значительную часть тела составлял электрический орган, «который было неприятно» есть.

Шокирующее использование мышечной энергии

Электрический угорь может генерировать сильный разряд напряжением более 500 В и током один ампер, т. е. мощностью 500 Вт{14}. Этого достаточно для питания нескольких ламп, что и было продемонстрировано в одном из японских океанариумов, где электрического угря подключили к гирлянде рождественской елки. Этого также достаточно, чтобы оглушить или даже убить человека или крупное животное. Во времена фон Гумбольдта при пересечении одной из рек вброд погибало столько мулов, что пришлось изменить маршрут. Еще в середине XX в. пастухи теряли (или думали, что теряют) столько скота в результате нападения угрей, что им приходилось устраивать специальные ловушки, в которых угрей, после того как они растратят свою энергию, забивали мачете с изолированными рукоятками.

Физиологический эффект разряда электрического угря ничем не отличается от поражения обычным электрическим током такой же силы. Он может приводить к непроизвольному сокращению мышц, к параличу дыхательных мышц, к сердечной недостаточности и даже к смерти – иногда от прямого воздействия тока, но чаще в результате того, что оглушенная жертва тонет. Удар током бывает к тому же очень болезненным. Фон Гумбольдт однажды случайно наступил на крупного угря в возбужденном состоянии, только что вытащенного из воды и еще не успевшего потерять свой заряд. По его словам, боль и онемение были чрезвычайно сильными. Он целый день жаловался на то, что у него «сильно болели колени и все остальные суставы» и судорожно сокращались жилы и мышцы (отсюда происходит испанское название этой рыбы tembladores – сотрясения). Неудивительно, что индейцы боялись угря.

У электрических угрей нет зубов, и им приходится заглатывать добычу целиком. Сделать это намного труднее, когда она извивается, и, быть может, именно поэтому угри оглушают свою добычу электрическим разрядом. Большую часть времени они проводят зарывшись в донный ил, но раз в несколько минут им приходится подниматься к поверхности, чтобы подышать, поскольку основную часть кислорода они получают из воздуха. Из-за этого угри не погибают после извлечения из воды, их легко изучать. Я очень хорошо помню мое давнее посещение лаборатории, где работали с электрическими угрями. Перед входом в помещение мне предложили надеть резиновые перчатки, которые доходили до подмышек, на тот случай, если рыба выпрыгнет из аквариума и я ненароком дотронусь до нее. Это производило неизгладимое впечатление.

Слева: электрическая батарея Вольта, состоящая из столбиков серебряных (A) и цинковых (Z) дисков. Справа: поперечный разрез тела электрического ската, на котором видны столбики электрических пластинок (один из них обозначен символом H). Сходство удивительно!

Electrophorus имеет удлиненное, цилиндрическое, змеевидное тело с темно-серой спиной и желтоватым брюхом. Длина его может быть просто огромной. Крупные экземпляры весят более 20 кг, достигают двух с половиной метров в длину, а их толщина сравнима с толщиной бедра взрослого мужчины. Жизненно важные органы находятся спереди и занимают всего пятую часть тела, остальное, если не считать спинного хребта и плавательных мышц, это силовой агрегат. Главные электрические органы расположены с двух сторон по бокам угря. Каждый из них состоит из тысяч модифицированных мышечных клеток, так называемых электрических пластинок, которые утратили способность сокращаться и превратились в генераторы электрического заряда. Эти очень тонкие, пластинчатые клетки наложены одна на другую и образуют высокие столбики наподобие гигантских стопок монет. Каждый столбик содержит от 5000 до 10 000 клеток. С каждого бока угря располагается примерно по 70 столбиков. Такие столбики электрических пластинок очень напоминают вольтов столб – примитивную гальваническую батарею, устройство которой мы рассмотрели в главе 1, – этот факт отмечал сам Вольта.

Щелчок выключателем

Поверхности клетки, образующей электрическую пластинку, сильно отличаются друг от друга. Одна из сторон – гладкая и пересечена вдоль и поперек множеством нервных окончаний, другая имеет глубокие впадины и лишена нервов. В состоянии покоя между двумя поверхностями клетки разность потенциалов отсутствует, и электрический ток не генерируется. Когда рыба хочет оглушить добычу, она генерирует импульс в нерве электрического органа. Это приводит к появлению электрического импульса в пластинке – фактически мышечного потенциала действия, который распространяется только по возбужденной стороне. В результате возникает разность потенциалов между двумя сторонами клетки, достигающая 150 мВ. Поскольку это происходит одновременно во всех электрических пластинках и так как пластинки соединены друг с другом последовательно, напряжения суммируются, доходя до 500 В и более (примерно в четыре раза выше, чем в бытовой электросети в США, и в два раза выше, чем в европейских странах). Тысячи мышечных потенциалов действия, генерируемых одновременно, рождают электрический разряд.

По существу, каждая электрическая пластинка действует как миниатюрная живая батарея, у которой стимулируемая сторона (обращенная к хвосту) имеет отрицательный заряд, а противоположная (обращенная к голове) – положительный. Эти крошечные батареи объединены «голова к хвосту» в длинные столбики. Простой аналогией такого соединения является электрический фонарик, в цилиндрической рукоятке которого находится столбик из батареек, соединенных «голова к хвосту» (положительный полюс к отрицательному). Напряжения этих батареек складываются и в сумме дают уровень, необходимый для питания фонаря. Таким же образом крошечные разности потенциалов, генерируемые отдельными электрическими пластинками при возбуждении, складываются и дают очень высокое напряжение. Чем больше клеток в столбике, тем сильнее удар током. Молодые угри, у которых меньше электрических клеток в столбике, все равно могут сильно ударить током, но этот удар намного слабее, чем у взрослых особей. Удар током непродолжителен по времени, поскольку электрический импульс на возбужденной стороне пластинки пропадает в течение пары миллисекунд. Однако угорь генерирует не отдельный электрический удар, а их поток, выдавая быструю очередь импульсов – до 400 в секунду.

Сверху: электрический угорь имеет три электрических органа, однако сильный электрический разряд, используемый для оглушения добычи, генерирует только главный электрический орган. В середине и внизу: две тонкие, подобные вафле пластинки одного из столбиков главного электрического органа. Когда клетка находится в состоянии покоя (неактивное состояние), ее внутренняя сторона имеет отрицательный заряд, а обе внешние поверхности заряжены положительно. Разность потенциалов между внешними поверхностями при этом отсутствует. Когда угорь генерирует электрический разряд (активное состояние), потенциал на задней поверхности пластинки становится отрицательным, в результате чего между двумя внешними поверхностями возникает разность потенциалов около 150 мВ. Напряжения отдельных электрических пластинок складываются, генерируя сильный разряд.

Хотя разность потенциалов между концами столбика значительна, ток, текущий от конца столбика к окружающей воде, относительно невелик. И это хорошо, иначе клетки угря просто изжарились бы. Однако токи параллельных столбиков суммируются, и совокупный ток достигает значительной величины – порядка одного ампера. Пространство между электрическими пластинками заполнено студенистым веществом с высокой электропроводностью, которое, наверное, и показалось фон Гумбольдту неприятным на вкус. Это вещество выполняет очень важную функцию – оно обеспечивает свободное течение тока от одной пластинки в столбике к другой и от конца столбика к окружающей воде. Не менее важно и то, что каждый столбик хорошо изолирован по всей длине, иначе ток тек бы не вдоль столбика, а поперек него в окружающие ткани угря.

Понятно, что электрические пластинки должны быть как можно тоньше, поскольку чем больше клеток в столбике, тем выше генерируемое напряжение и тем сильнее электрический удар. В то же время чем тоньше клетка, тем быстрее она наполняется ионами натрия, поступающими во время электрического импульса. Это создает проблемы, поскольку снижает градиент концентрации, заставляющий ионы натрия поступать в клетку. Это означает, что при поступлении цепочки импульсов сила электрического импульса, генерируемого каждой клеткой, постепенно снижается. Как следствие, мощность электрического разряда и частота, с которой он может генерироваться, постепенно уменьшаются и, в конце концов, падают до нуля. Электрический орган разряжается – точно так же, как и перегруженная батарея. Именно этот эффект использовали индейцы при рыбной ловле своим оригинальным методом. Подзарядка электрического органа требует времени и осуществляется с помощью молекулярных насосов, которые выкачивают все ионы натрия, попавшие в клетку, и восстанавливают градиент концентрации натрия, дающий энергию электрическому импульсу.

Раз, и готово!

Электрический скат Torpedo имеет почти такую же, как и у электрического угря, систему генерирования электрического разряда. Отличия связаны с тем, что он является морской рыбой, а не речной. В пресной воде мало растворенных солей, способных передавать электричество, поэтому ток распространяется не слишком далеко, и угорь должен подобраться довольно близко к жертве, чтобы оглушить ее. В результате угрю нужно значительно более высокое напряжение, чтобы преодолеть сопротивление воды. Морская вода намного лучше проводит электрический ток, чем пресная, из-за более высокого содержания солей, поэтому ток не так быстро затухает с расстоянием. Скат идеально приспособился к морской среде – он генерирует более значительный ток при более низком напряжении, чем Electrophorus.

Два больших, имеющих форму почки электрических органа ската расположены по бокам у его головы. В каждом из них 500–1000 плотно размещенных столбиков примерно из 1000 электрических пластинок. Имея меньше пластинок в столбиках, скат не может генерировать такое же высокое напряжение, как и угорь. Максимальное напряжение разряда составляет около 50 В, примерно в 10 раз меньше, чем у угря. Вместе с тем его ток больше из-за значительно большего числа столбиков – скат способен генерировать ток силой до 50 А и развивать пиковую мощность разряда более одного киловатта. Причиной того, что скат генерирует более высокий ток при более низком напряжении, является более высокая электропроводность среды, в которой он живет. Особенностями морской жизни объясняется и то, почему его электрические органы короткие и широкие, в отличие от угря, у которого они длинные и тонкие. Просто для того, чтобы получить высокий ток при низком напряжении, требуется множество коротких столбиков.

Электрические органы ската расположены с двух сторон от его головы. Траектория течения тока при разряде электрических органов показана на поперечном разрезе рыбы справа.

Столбики электрических пластинок расположены вертикально между верхней и нижней поверхностями крыльев ската. При разряде ток распределяется в окружающей среде так, что его сила максимальна непосредственно над электрическим органом или под ним. Скат использует это явление во время охоты. Он неподвижно лежит на дне до тех пор, пока какая-нибудь рыба не подплывет достаточно близко, а потом резко всплывает, испуская серию оглушающих электрических разрядов и занимая такое положение, в котором жертва получает наиболее сильный удар. После этого скат набрасывается на обездвиженную добычу, охватывает ее крыльями и заталкивает в рот.

Как и у электрического угря нервные окончания расположены только на нижней поверхности пластинок ската. На этой модифицированной мышечной мембране находится так много ацетилхолиновых рецепторов, что они образуют полукристаллическую решетку. По существу это один гигантский синапс. Возбуждение нерва, управляющего электрическим органом, приводит к выбросу нейромедиатора – ацетилхолина (см. главу 4), который открывает ацетилхолиновые рецепторы в нижней мембране электрической пластинки и создает разность потенциалов порядка 100 мВ между двумя сторонами клетки. Это заметно меньше, чем в пластинках электрического угря. Однако главной причиной, по которой скат генерирует более низкое напряжение, является меньшее число клеток в столбике. Генерирование электрического разряда требует много энергии, поэтому разряд не может быть продолжительным. Как и электрический угорь, скат испускает серию импульсов (около 100 в секунду), а каждый разряд длится всего несколько миллисекунд.

Почему скат не поражает током себя?

Почему электрический скат (да и электрический угорь тоже) не оглушает током себя, остается загадкой, которая полностью не разгадана до сих пор. Ток течет от одного конца столбика электрических пластинок к другому, а затем через ткани и кожу в воду. Из-за того, что электрические органы находятся в крыльях, ток не проходит напрямую через сердце и мозг ската. Кроме того, ток, текущий через любую часть тела рыбы, невелик, поскольку каждый столбик электрических пластинок вносит очень небольшой вклад. Жертва тем не менее получает сильный удар в силу того, что слабые токи отдельных столбиков суммируются и в воде возникает намного более значительный ток. Считается, что прослойки жира в коже действуют подобно изоляторам и защищают рыбу от поражения током самой себя. Если кожу оцарапать или повредить (что снижает эффективность этой изоляции), то электрический скат начинает вздрагивать при использовании своего электрического оружия, иными словами, он начинает чувствовать удар током. Конечно, чтобы ток выходил в воду, кожа над электрическими органами не должна быть слишком хорошо изолированной, и действительно, как показывают замеры, кожа сверху и снизу электрических органов ската имеет более высокую электропроводность, чем кожа на других участках тела[23].

Нападение акул

В сентябре 1985 г. телекоммуникационная компания AT&T проложила подводный волоконно-оптический кабель между островами Гран-Канариа и Тенерифе Канарского архипелага. А всего месяц спустя связь была нарушена – кабель замкнуло в 10 км от Тенерифе на глубине 1000 метров. Перед AT&T встала трудоемкая, сложная и дорогостоящая задача поднять кабель и заменить поврежденный участок. Загадочным образом аналогичные повреждения кабеля возникали дважды на следующий год и потом в апреле 1987 г. При тщательном обследовании поврежденных участков на них были обнаружены следы акульих зубов, т. е. кабель перекусывали акулы. Главной подозреваемой стала ложнопесчаная акула Pseudocarcharias kamoharai, у которой были очень мощные челюсти.