Занимательная биология - Акимушкин Игорь Иванович - Страница 30

Но закон, названный именем Вебера, остается в силе: у каждого раздражителя есть своя определенная и постоянная (во всяком случае, при раздражениях средней силы) добавочная доза, которая вызывает в наших чувствах соответствующие ощущения.

Энергия для наших чувств

Итак, мы чувствуем с помощью электричества. Нервная система — это сложное переплетение электрических проводников. Но проводников, устроенных очень своеобразно: ток не бежит по нервам, как по проводам [35] .

Для электронов в нерве приготовлено не ровное шоссе. Нет, их путь природа превратила в скачку с препятствиями.

Скачка начинается приблизительно так.

Нервная клетка, или нейрон, несколько похожа на вырванное с корнем дерево. «Корни» — тело клетки, взъерошенное исходящими из него отростками — дендритами. «Ствол» — аксон, длинное нервное волокно, растущее из тела клетки. На конце аксон ветвится — это «ветви» дерева, на которое похожа нервная клетка.

Аксон бывает и длинным и коротким. На некоторых нервных путях, соединяющих мозг человека с кончиками пальцев на ногах, только три нейрона, последовательно соединившись, образуют цепь нервной передачи. У них аксоны длиной больше метра! (Хотя сам нейрон, наделенный столь длинным «хвостом» меньше двух сотых сантиметра в поперечнике.) Но аксоны нейронов головного мозга обычно не длиннее сотых долей миллиметра.

Аксон — это тот проводник, по которому бежит нервный импульс. По веточкам на конце, которые входят в контакт с входными «клеммами» других нейронов, он передает возбуждение следующим членам нервной цепи. Место соединения аксона с дендритом либо телом другого нейрона называют синапсом.

Оболочка клетки, мы уже это знаем, постоянно «выкачивает» ионы натрия наружу, вон из клетки, и «накачивает» в протоплазму ионы калия [36] .

Уже 100 лет, как известно, что протоплазма клетки заряжена отрицательно по отношению к окружающей клетку жидкости. По-видимому, активный и избирательный перенос ионов клеточной мембраной поддерживает электрическое напряжение на ее границах. В нервной клетке внутренний отрицательный потенциал равен приблизительно 70 милливольтам.

В некоторых клетках минус 80–90 милливольт. Но когда нейрон получает через свои «клеммы» от других нейронов электрические импульсы, они несколько понижают его внутренний электрический потенциал.

Дальше происходит вот что: «это снижение потенциала, — пишет Дин Вулдридж в книге, которую каждый должен прочитать [37] , — распространяется на ближний участок основания аксона. Если деполяризация достигает достаточной величины, то аксон проявляет интересную, лишь ему свойственную особенность: происходит электрический „пробой“ его оболочки. Точнее говоря, уменьшение его внутреннего потенциала с 70 до 60 милливольт ведет к внезапному изменению проницаемости мембраны, отделяющей протоплазму аксона от окружающей жидкости».

Отворяется, как иногда говорят физиологи, натриевая «дверца», ионы натрия, которые толпились снаружи у клеточной оболочки, бессильные ее преодолеть, сразу устремляются внутрь аксона. Они заряжены положительно, и поэтому внутренний потенциал аксона в месте, где произошел «пробой», падает еще ниже: от минус 60 милливольт до некоторой положительной величины по отношению к замембранной территории [38] .

Положительный потенциал внутри клетки! — сразу же в соседнем участке аксона возникает новый «пробой». А за пробоем — перемещение ионов натрия внутрь аксона. Затем деполяризация и этого участка и новый, третий, «пробой» с ним по соседству. И так все дальше и дальше: вдоль по аксону бежит импульс деполяризации, или, как говорят, потенциал действия.

А в том месте, где только что был «пробой», разыгрываются уже другие события.

«Натриевая дверца», открывшись ненадолго, сейчас же закрывается, и открывается «калиевая дверца». Мембрана аксона быстро пропускает теперь сквозь себя ионы калия, которые торопливо выскакивают наружу и уносят с собой положительные заряды (ведь они, как и ионы натрия, тоже отмечены крестиками!). Сейчас же там, где открылась «калиевая дверца» и утекли плюсовые заряды, возникает номинальный отрицательный потенциал — минус 70 милливольт. И сейчас же снова в этой зоне аксона начинает действовать натриево-калиевый насос, а клеточная мембрана вновь устанавливает прежнюю сегрегацию ионов калия и натрия (обе дверки захлопнулись!).

Все происходит за одну-две тысячных доли секунды, и, продолжает Вулдридж, «к тому моменту, когда участок аксона вновь приобретает способность к возбуждению, потенциал действия уже проходит расстояние, во много раз превышающее диаметр аксона, и находится слишком далеко, чтобы вызвать повторный разряд в восстановившей свою возбудимость протоплазме». Вот почему нервный импульс всегда бежит по аксону только в одну сторону: прочь от своего нейрона к другому нейрону.

Как только мембрана, одевающая основание аксона, захлопнет обе «дверцы», новый нервный импульс может отправиться с этого старта в путешествие по аксону.

Если сигналы, побуждающие нейрон к действию, очень сильные, «пробой» быстро нарушает преграду, разделяющую внутренние и наружные ионы. Поэтому и нервные импульсы быстро бегут друг за другом: иногда через каждую сотую секунды. Но когда сигналы слабые, требуется больше времени для преодоления ионами пограничных постов мембраны. Тогда и частота нервных импульсов невелика.

По толстым нервным волокнам электрические разряды продвигаются быстрее, чем по тонким.

У человека есть аксоны, по которым они мчатся со скоростью урагана: 100 метров в секунду! Но есть и другие: возбуждение проходит по ним не быстрее пешехода — 3–4 километра в час (метр в секунду).

Однако с какой бы скоростью и частотой ни распространялись импульсы по нерву, они приходят к финишу в отличной форме: такими же сильными, какими тронулись со старта. Даже если от старта до финиша расстояние в тысячу раз больше, чем диаметр проводника, то есть нервного волокна.

В начале физиологи никак не могли понять, почему так невероятно «выносливы» эти электробегуны по нервам. Теперь мы знаем почему: ведь каждый «пробой» возбуждает импульс такой же силы, какой обладал породивший его самого импульс от предыдущего «пробоя». Таким образом, импульсы на всем пути своего продвижения бесконечное число раз заново возрождаются.

А энергию, необходимую для питания этой бесконечной регенерации, нервная клетка черпает, принудительно поддерживая (против норм осмотического давления) неравную концентрацию ионов натрия и калия по обе стороны своей оболочки.

Ионная сегрегация на границах атома жизни — вот, по-видимому, первичный источник энергии наших ощущений и чувств.

Касающийся света кусочек мозга

Когда мы смотрим на что-нибудь, в глаза попадают лучи света. Они могут идти прямо от солнца или лампы, но чаще — это отраженный свет. Поверхности предметов неровные и отражают свет по-разному. Поэтому мы и видим мир не однотонным и аморфным, а богатым красками и формами.

Наш глаз устроен, как фотографическая камера. Еще в прошлом веке Гельмгольц доказал это. Но как световая энергия преобразуется глазом в энергию нервных импульсов?

Примерно так же, как на фотопленке: одно вещество, превращаясь под действием света в другое, возбуждает в нерве электрический импульс. Фотопленкой служит сетчатка — внутренняя оболочка глаза, сплошь усеянная светочувствительными клетками [39] , а веществом-преобразователем энергии — родопсин, или зрительный пурпур. Это белок опсин, соединенный с ретиненом. А ретинен — окисленный витамин А. Поэтому, когда в пище мало витамина А, человек слепнет. Он плохо видит главным образом в сумерках: это называют куриной слепотой. Дело в том, что родопсин содержит в себе так называемые палочки — воспринимающие свет клеточки в сетчатке глаза. Кроме них, есть еще и колбочки. Но они приспособились оповещать нас о красках зримого мира и реагируют, кроме цветных, преимущественно на лучи яркие, несущие много световой энергии. Палочки же функционируют в сумерках, ночью — в общем всегда, когда света мало. Так что, когда не хватает витамина А, в палочках — дефицит родопсина, и глаз плохо видит в сумерках.