Глава 3
Импульс к действию

Во время экспедиции в южные моря в 1774 г. капитан Джеймс Кук сделал следующую запись о необычных симптомах, которые он испытал, попробовав неизвестную уродливую рыбу: «Зарисовка и описание затянулись допоздна, и приготовили только печень и икру, которые я и г-н Фостерс попробовали на вкус. Ночью около трех мы оба почувствовали сильную слабость и онемение конечностей — я практически лишился осязания и не чувствовал разницу между легкими и тяжелыми предметами, которые хватало силы поднять. Литровая кружка с водой и перышко казались мне одинаковыми. Мы приняли рвотное средство, после которого нам стало значительно легче. Наутро мы обнаружили, что свиньи, съевшие внутренности, издохли. Когда на борт корабля поднялись аборигены и увидели подвешенную рыбу, они сразу же дали нам понять, что она не годится в пищу, и выказали полное отвращение к ней».

Не исключено, что на стол Кука и его команды попал иглобрюх. Печень, внутренности, кожа и икра этой рыбы содержат опасный яд, тетродотоксин, который блокирует натриевые каналы в клетках нервной и мышечной ткани. В результате подавляются нервные импульсы и сокращение мышц. Отравившиеся обычно умирают от удушья, вызванного параличом дыхательных мышц. Куку очень повезло — количество съеденной им рыбы было не настолько большим, чтобы убить его. Электропроводка организма

Нервные волокна передают электрические сигналы по всему организму. То, что мы обычно называем нервом, на деле представляет собой жгут из множества нервных волокон, окруженных защитной оболочкой, подобный кабелю, составленному из тысяч телефонных проводов. Большинство нервов располагаются в глубине ткани, которая защищает их от повреждения. Исключением являются окончания чувствительных нервов, которые пронизывают внешние слои кожи, и локтевой нерв, который подходит близко к поверхности кожи в локтевом сгибе. Это объясняет, почему при резком ударе локтя (локтевого отростка) острая боль пронизывает всю руку: удар возбуждает нерв точно так же, как и небольшой электрический разряд.

Нервные клетки — кирпичики, из которых строится нервная система, включая мозг. Они бывают разных форм и размеров, но все имеют клеточное тело с несколькими тонкими разветвленными отростками. Обычно один из отростков намного длиннее других, его называют нервным волокном или аксоном. Он может быть очень длинным. Аксоны локтевого нерва человека, например, тянутся от спинного мозга до кончиков пальцев. Блуждающий нерв — самый длинный из черепно-мозговых нервов — идет от мозга до желудка, и у жирафа его длина может превышать три метра. Независимо от длины отдельное нервное волокно очень тонкое — его диаметр не превышает десятой части толщины человеческого волоса.

Хотя нервные волокна могут проводить импульсы в любую сторону, обычно они передают их только в одном направлении. Двигательные нервы передают сигнал в наружном направлении: от головного и спинного мозга к мышцам для управления их сокращением, а чувствительные нервы передают информацию в обратном направлении — от органов чувств к головному мозгу.

Типичная нервная клетка с аксоном и разветвленными дендритами, которые отходят от клеточного тела, и с многочисленными пальцевидными отростками на окончании аксона.

Клеточное тело — это центр управления нервной клеткой: в нем находится ядро с генетическим материалом (ДНК). Многочисленные короткие отростки отходят от тела нервной клетки подобно ветвям дерева, поэтому их и называют дендритами, от греческого слова «дендрон» — дерево. Дендриты получают сигналы от других клеток и служат центрами обработки информации низшего уровня, которые объединяют всю входящую информацию перед ее передачей клеточному телу. Тела нервных клеток находятся почти исключительно в головном и спинном мозге, где их защищает «гематоэнцефалический барьер», отделяющий кровь от цереброспинальной жидкости, в которой находится головной и спинной мозг. Головной мозг выполняет роль командного центра всей нервной системы. В нем сосредоточены миллионы нервных клеток, каждая из которых имеет множество отростков и многочисленные связи с другими клетками мозга. Импульс к действию

Нервные клетки передают информацию с помощью электрических сигналов, называемых нервными импульсами или потенциалами действия. Они бегут по нервному волокну со скоростью до 400 км/ч. Самыми быстрыми нервами являются те, что заключены в изолирующую миелиновую оболочку. Она формируется слой за слоем из мембран особых клеток (так называемых шванновских клеток), которые плотно обертывают аксон, подобно слоям рулета или туалетной бумаги на трубке рулона. Изолирующая миелиновая оболочка позволяет быстрее передавать электрические импульсы. При ее повреждении проводимость нерва нарушается.

Миелинизированный нерв. Видны слои изолирующего миелина, намотанные на аксон. Небольшой органоид в центре нерва — это митохондрия, один из генераторов энергии клетки.

Многочисленные шванновские клетки расположены вереницей вдоль всей длины аксона. Через каждые несколько микрометров между соседними шванновскими клетками образуется небольшой зазор, называемый перехватом Ранвье, который позволяет оголенной мембране нерва контактировать с внеклеточной жидкостью. Поскольку миелиновая оболочка является хорошим изолятором, электрический ток может течь от нервной клетки к внеклеточной жидкости только в местах перехватов. Перехваты, таким образом, служат ретрансляционными станциями, усиливающими потенциал действия и повышающими его скорость. Фактически нервный импульс движется быстрее в миелинизированных нервах потому, что его передний фронт перепрыгивает последовательно от перехвата к перехвату. Это объясняет, почему миелинизированные нервы передают потенциалы действия намного быстрее немиелинизированных нервных волокон.

Ярким примером критической важности миелина является синдром Гийена — Барре. Это редкое аутоиммунное заболевание обычно начинается с покалывания и слабости в ступнях, за которыми быстро следует паралич нижних конечностей, затем кистей рук и предплечий и под конец мышц грудной клетки, так что больной теряет способность дышать, и его приходится подключать к аппарату искусственного дыхания. В конечном итоге поражаются почти все нервы, включая лицевые. Человек при этом перестает говорить и может реагировать на вопросы только движением глаз. В самом тяжелом случае переход от нормального функционирования нервной системы почти к полному параличу может произойти за один день.

Синдром Гийена — Барре вызывают вырабатываемые организмом антитела, которые предназначены для защиты от чужеродных белков, но по неизвестным причинам атакуют собственные ткани — своего рода клеточный огонь по своим. Это приводит к потере миелина, разрушению оболочки нервов и прекращению передачи импульсов. Головной и спинной мозг не страдают от этого, поскольку антитела не могут преодолеть окружающий их гематоэнцефалический барьер и добраться до миелинизированных волокон. К счастью, этот паралич обычно не является необратимым, и как только антитела удаляются из системы, миелин восстанавливается. Вместе с тем процесс восстановления идет медленно, примерно по сантиметру в день, и высокому человеку может потребоваться больше года, чтобы к некоторым мышцам вернулась работоспособность. Во многих случаях полностью функции так и не восстанавливаются.

Аналогична причина и рассеянного склероза, который возникает в результате постепенного и неумолимого аутоиммунного разрушения миелиновой оболочки, ведущего к прогрессивной деградации проводимости нервов и в конечном итоге к потере координации и расстройству двигательной функции. Он может также приводить к слепоте при повреждении зрительных нервов. Одной из самых известных жертв этого заболевания была одаренная и обаятельная молодая британская виолончелистка Жаклин Дюпре. Когда ей было всего 26, она начала терять чувствительность кончиков пальцев и в скором времени полностью перестала чувствовать струны своего инструмента. Два года спустя она покинула сцену. Разговоры нервов

Мы, люди, представляем собой цифровые системы с незапамятных времен. Задолго до зарождения идеи компьютера наши нервные волокна передавали импульсы, несущие цифровой код. Потенциалы действия подчиняются закону «все или ничего» — их амплитуда постоянна и не зависит от силы раздражителя. Возрастание силы раздражителя приводит к повышению частоты потенциалов действия. Наглядной аналогией является пулемет. При достаточно сильном нажатии на спусковой крючок пулемет стреляет, но если сила воздействия не достигает определенного порога, то пули (или потенциалы действия) не вылетают. Более того, информация по нервам передается во многом подобно пулеметной очереди — как поток идентичных потенциалов действия. При этом более сильный раздражитель вызывает генерирование большего числа импульсов. Такое частотное кодирование имеет значительные преимущества. Оно гарантирует, например, передачу электрических импульсов на большие расстояния без искажения информации или затухания сигнала.

Чтобы изучать процесс генерирования и распространения нервных импульсов, необходимы измерительные приборы, чувствительность которых достаточно высока для регистрации очень слабых и коротких электрических сигналов. У первых исследователей вроде Гальвани, несмотря на легкость наблюдения результатов воздействия нервного импульса — сокращения мышцы лягушки, не было возможности зарегистрировать его электрически. К середине XIX в. появились специальные приборы, названные (в честь Гальвани) гальванометрами. С их помощью многие исследователи убедились в том, что нервы и мышцы в самом деле генерируют собственные электрические сигналы, но и они не могли точно измерять их. Как ни печально, но если прибор был достаточно чувствителен, то ему не хватало быстродействия, а если он был достаточно быстродействующим, то ему не хватало чувствительности. Чтобы создать усилители, позволяющие точно измерять нервные импульсы, нейрофизиологам пришлось ждать изобретения электронной лампы (триода), первоначально разработанной для радиосвязи.

Эдгар Эдриан и Кит Лукас первыми стали экспериментировать с новой аппаратурой, которая усиливала ничтожный сигнал, генерируемый в нервном волокне, примерно в 2000 раз. Эдриан активно пропагандировал важность технологии в твердой уверенности, что «история электрофизиологии определятся историей развития электроизмерительной аппаратуры». Пропагандой дело не ограничивалось, и его лаборатория «была напичкана последними достижениями техники». Он говорил, что достигнутые им результаты «не являются плодом исключительно его личного упорного труда или проницательности. Это одна из тех вещей, которые иногда происходят в лаборатории, если вы подбираете необходимую аппаратуру и смотрите, что можно получить с ее помощью». Алан Ходжкин, ученик Эдриана, позднее иронично заметил, что большинство людей, даже если они «подбирают аппаратуру и смотрят вокруг, все равно не совершают таких же открытий, как Эдриан». Надо сказать, что к самому Ходжкину это не относилось.

Эдриан начал работать ассистентом Кита Лукаса в 1912 г., когда он еще учился в Кембридже. Лаборатория Лукаса располагалась в крошечном темном сыром подвале, который заливало водой после каждого дождя, и ученым приходилось устраивать дощатые настилы в сырую погоду (не самые подходящие условия для экспериментов с электричеством, которые в наши дни наверняка были бы запрещены в соответствии с требованиями техники безопасности). Лукас поставил перед Эдрианом сложную задачу — исследование распространения нервного импульса. Проведенные к тому времени эксперименты давали основание считать, что нервные волокна либо возбуждаются полностью, либо вообще не возбуждаются, но уверенности в этом не было. Однако, прежде чем им удалось прийти к какому-либо решению, исследование было прервано из-за начала Первой мировой войны. Лукас погиб в воздушной катастрофе при проведении испытаний аппаратуры для ВВС Великобритании. После войны Эдриан возглавил лабораторию своего наставника в Кембридже. В результате скрупулезного выделения отдельных волокон из нервного пучка и их исследования он обнаружил, что при возбуждении нерв генерирует серию очень слабых электрических импульсов постоянной амплитуды, но переменной частоты. Чем больше была сила раздражителя, тем выше становилась частота. Другими словами, интенсивность ощущения пропорциональна частоте импульсов чувствительного нерва.

Эдриан отмечал, что свидетельство этого проявилось совершенно неожиданно, и приводил пример с экспериментом, в котором он размещал электроды на зрительном нерве жабы. «В комнате была почти полная темнота, и меня озадачили повторяющиеся шумы, которые доносились из громкоговорителя, подключенного к усилителю. Они свидетельствовали об интенсивных потоках импульсов. И только связав эти шумы с собственным передвижением по комнате, я понял, что нахожусь в поле зрения глаза жабы и он генерирует сигналы в ответ на мои действия». Судьба и удача1

К середине прошлого столетия все понимали, что нервы и мускулы передают информацию с помощью электрических импульсов, однако как нервные импульсы генерируются и распространяются по волокнам, было загадкой.

Первые эксперименты, проложившие путь к решению этой загадки, проводились с использованием нервных волокон кальмара, в результате чего это живое существо заняло особое место в сердцах физиологов. Человеком, обнаружившим, что у обычного кальмара (Loligo forbesii) нервное волокно видно невооруженным глазом, был Джон Янг. Высокий, с копной серебряных волос, полный заразительного энтузиазма, Джон Янг оставлял неизгладимое впечатление. Каждое лето он убегал от всех в Плимут или в Неаполь, чтобы заниматься исследованием осьминогов и кальмаров. Именно там он впервые обратил внимание на то, что мантия кальмара пронизана нервными волокнами огромной толщины. Эти гигантские клетки проводят нервные импульсы очень быстро и позволяют кальмару мгновенно скрываться от врага, с силой выбрасывая струю воды. Они также обеспечивают исследователей бесценным препаратом для изучения процесса генерирования нервных импульсов и дают превосходный предлог для проведения времени на морском побережье. Особой популярностью пользуются две морские лаборатории, где всегда есть свежие кальмары: лаборатории биологии моря в Плимуте (Англия) и в Вудс-Хоуле на полуострове Кейп-Код (США).

Огромные размеры аксона кальмара — диаметр от половины миллиметра до миллиметра — позволяли ввести электрод непосредственно в аксон и измерить разность потенциалов между точками внутри и снаружи клетки. Впервые такой эксперимент провели в начале августа 1939 г. два молодых ученых из Кембриджа: Алан Ходжкин и Эндрю Хаксли2. Для Хаксли, который тогда был еще студентом, эксперимент был первой пробой сил в сфере научных исследований. Они осторожно выделили одно гигантское нервное волокно, подвесили его вертикально на крючке и ввели тонкий серебряный электрод (защищенный стеклянным капилляром) в продольном направлении в центр аксона, не касаясь стенок. Второй электрод был помещен в морскую воду, окружавшую аксон. Это позволило определить разность потенциалов просто путем измерения напряжения между электродами.

Потенциал действия. Показаны отрицательный мембранный потенциал покоя и кратковременный положительный скачок, происходящий при генерировании импульса нервной клеткой.

Измерения показали, что внутренний потенциал нервной клетки в спокойном состоянии примерно на 50 мВ более отрицателен, чем наружный потенциал. Такой результат не был неожиданным, поскольку предположения об отрицательном потенциале покоя уже высказывались. Он возникает в результате утечки положительно заряженных ионов калия из клетки в состоянии покоя, как уже говорилось в предыдущей главе. Сюрпризом оказалось то, что при возбуждении нерва с помощью небольшого электрического разряда и генерировании нервного импульса разность потенциалов на мембране кратковременно изменялась на противоположную и внутриклеточный потенциал становился почти на 50 мВ более положительным, чем наружный. Такой «положительный скачок» потенциала полностью перечеркивал существовавшие представления и требовал переосмысления механизмов функционирования нервов.

Ходжкин и Хаксли впервые зарегистрировали потенциал действия 5 августа 1939 г., и это открытие чрезвычайно взволновало их. Они быстро опубликовали в журнале Nature короткую заметку о нем без каких-либо подробностей. А три недели спустя, 1 сентября, Гитлер вторгся в Польшу, Великобритания объявила войну Германии, и ученым пришлось оставить их эксперименты на целых восемь лет. Как ни печально, но у них не было времени на осмысление результатов, поскольку они очень быстро включились в решение более неотложных военных проблем.

В первые месяцы войны Ходжкин все же пытался описать результаты их работы в развернутой статье, однако сделать этого так и не смог — слишком много сил отнимала работа на оборону, а к 1940 г. «военные действия приняли такие масштабы, и потребность в радаре сантиметрового диапазона была настолько острой», что он «потерял всякий интерес к нейрофизиологии» и стал заниматься исключительно радаром. Ходжкину пришлось посвятить массу времени изучению необходимых разделов физики, но он об этом не жалел, поскольку очень быстро попал в команду, которая разрабатывала коротковолновую авиационную радиолокационную систему для ночных истребителей, позволявшую обнаруживать вражеские бомбардировщики в темноте. Работа была опасной — она включала в себя полетные испытания прототипов системы, а в первых образцах высоковольтной аппаратуры нередко случались замыкания в разреженном воздухе на большой высоте, они горели и наполняли самолет едким дымом. Хаксли также был очень занят — он работал над применением радиолокационных систем в корабельных зенитных артиллерийских установках.

Если британские ученые не могли продолжать исследования во время войны, то в Соединенных Штатах исследования не прекращались. Кеннет Коул (известный как Кейси) и его коллега Говард Кертис тоже занимались регистрацией потенциалов действия в аксонах кальмара в вудс-хоулской лаборатории. К сожалению, некоторые их результаты были ошибочными. Они иллюстрировали свои отчеты «типичными» графиками, но, как многие ученые, приводили не репрезентативную выборку, а всего один график, лучший с их точки зрения, т. е. с наибольшими значениями. Однако наибольшее не всегда является наилучшим. Впоследствии Коул допустил возможность плохой калибровки аппаратуры, поскольку по их замерам выходило, что потенциал действия превосходит потенциал покоя почти на 100 мВ. Такой гигантский потенциал действия не укладывался ни в одну известную теорию, что задержало решение загадки работы нервного импульса. Эта поучительная история напоминает ученым о том, что «типичные данные» действительно должны быть типичными. Укрощение аксона

После окончания войны Ходжкин и Хаксли вновь стали работать вместе и в 1945 г. наконец опубликовали детальные результаты экспериментов, датированных 1939 г. Они выпустили полномасштабный отчет, содержавший четыре возможных объяснения полученных результатов, которые, как ученые позднее признали, были неправильными. Чего им не хватало, так это дополнительных экспериментов. Дело осложнялось тем, что привести лабораторию в Плимуте в рабочее состояние было непросто. Здания сильно пострадали в результате воздушных налетов, кальмары были дефицитом, да к тому же, как заметил Ходжкин, он «забыл многие тонкости метода». Когда наконец появилась возможность возобновить эксперименты (случилось это в 1947 г.), Хаксли наслаждался медовым месяцем, и Ходжкин взял в помощники Бернарда Каца, молодого беженца из нацистской Германии.

Во время войны Ходжкин и Хаксли пришли к убеждению, что потенциал действия должен возникать в результате кратковременного повышения проницаемости мембраны нервной клетки для ионов натрия, и Ходжкину не терпелось проверить эту идею. К его радости, импульсы регистрировались, когда аксон находился в нормальной морской воде, и отсутствовали, когда ионы натрия в морской воде замещались на другие ионы. Все выглядело так, что именно ток, создаваемый ионами натрия, которые двигались из внешнего раствора внутрь аксона, лежал в основе изменения полярности потенциала действия. Между прочим, этот ток действительно возникает в результате открытия натриевых каналов в мембране аксона, но тогда никто, в том числе и Ходжкин с Хаксли, не подозревал о существовании ионных каналов.

Большую проблему для понимания того, как именно работают нервы, представлял характер потенциала действия — все или ничего. Ничто не происходило до тех пор, пока электрический раздражитель не превышал определенный порог, а после этого все протекало мгновенно — мембранный потенциал неожиданно и взрывообразно изменялся от уровня покоя до более положительного примерно на 100 мВ уровня, а затем быстро возвращался к исходному состоянию. Нужно было каким-то образом не допустить вызванное раздражителем изменение мембранного потенциала и сохранить его постоянным, с тем чтобы можно было измерять токи, связанные с изменением потенциала. Этого удалось добиться с помощью оригинального метода, получившего название «фиксация потенциала». Он предполагал подачу тока, равного по амплитуде, но противоположного по направлению тому, что тек через мембрану. Мембранный ток при этом нейтрализовывался, и потенциал не менялся. Более того, величина тока, текущего через мембрану, была прямо пропорциональна подаваемому току, что обеспечивало точное измерение токов, приводящих к возникновению потенциала действия. Проблема, таким образом, получила блестящее решение.

Метод фиксации потенциала был независимо разработан Ходжкином и Кацом в Плимуте и Коулом совместно с Джорджем Мармонтом в Вудс-Хоуле. Американцы быстрее справились с технической частью и первыми начали экспериментировать с фиксацией потенциала (этот термин очень не нравился Коулу), в 1947 г. Коул сообщил Ходжкину о своих экспериментах, и когда в марте 1948 г. тот приехал в Вудс-Хоул, они обменялись информацией о достижениях. Ходжкин быстро понял, что аппаратура Коула была лучше. По возвращении в Англию он и Хаксли модифицировали свою систему с учетом достижений Коула и всего лишь за месяц, в августе 1949 г., получили все данные, необходимые для того, чтобы продемонстрировать, как работают нервы. Секрет их успеха заключался в использовании сложной аппаратуры и подхода, который сильно отличался от подхода Коула.

Коула очень удивила быстрота их продвижения, в своих комментариях он отмечал, что «Ходжкин и Хаксли продвигаются с потрясающей скоростью… Я периодически получал сообщения от них, однако так и не оценил блистательной простоты фундаментальных концепций и эффектных деталей (их анализа…). Лишь после того, как Ходжкин прислал мне черновой вариант своей рукописи… я начал понимать, во что превратилась моя простая идея по укрощению аксона кальмара». Последнее предложение вместе с заявлением Коула о том, что «свободный обмен методами и результатами позволил им (т. е. его соперникам) в течение года повторить всю мою работу и добиться очень значительных успехов» — это намек на смятение, которое породили в его душе достижения кембриджских ученых.

Изящные эксперименты Ходжкина и Хаксли показали, как именно нерв генерирует электрический импульс. Потенциал действия возникает под действием повышения проницаемости мембраны для ионов натрия. Проницаемость повышается в результате открытия натриевых каналов, которые позволяют потоку положительно заряженных ионов натрия проходить в нервную клетку и смещать мембранный потенциал в положительную сторону (деполяризация). Менее чем через миллисекунду открываются калиевые каналы, выпускающие ионы калия из нервной клетки и возвращающие мембранный потенциал к уровню покоя (реполяризация). Совместно эти противоположные потоки ионов генерируют кратковременное изменение потенциала, которое и составляет нервный импульс. Прогресс, подтвержденный расчетом

После измерения амплитуды и продолжительности натриевых и калиевых токов Ходжкину и Хаксли нужно было доказать, что они достаточны для генерирования нервного импульса. Ученые решили сделать это теоретически, путем расчета ожидаемой продолжительности потенциала действия. Они предположили: если удастся построить математическую модель нервного импульса, это даст веское основание считать, что он является результатом только зарегистрированных токов. Хаксли пришлось решать сложные уравнения на механическом арифмометре, поскольку вычислительная машина Кембриджского университета была «недоступна» в течение полугода. Как ни странно это выглядит сейчас, но университет тогда располагал всего одной ЭВМ (по правде сказать, это была первая электронная вычислительная машина в Кембридже). На расчет потенциала действия у Хаксли ушло около трех недель: мы продвинулись далеко вперед с тех пор — моему нынешнему компьютеру требуется всего несколько секунд для проведения тех же вычислений. Не менее замечательно, пожалуй, и то, что мы до сих пор пользуемся уравнениями, составленными Ходжкином и Хаксли для описания нервного импульса.

В 1952 г., через три года после завершения экспериментов, Ходжкин и Хаксли опубликовали результаты своей работы в эпохальной серии из пяти статей, которые навсегда изменили наши представления о том, как работают нервы. Такой большой разрыв во времени между получением результатов и публикацией кажется невероятным для сегодняшних ученых, которым соперники постоянно наступают на пятки. Но в 1950-е гг. все было по-другому. Хаксли как-то сказал мне, что «такое даже в голову не приходило». В 1963 г. Ходжкин и Хаксли были удостоены Нобелевской премии. Они получили ее по праву — их результаты были выдающимися, а анализ настолько точным, что произвел революцию в сфере исследований нервной системы и заложил фундамент современной нейрофизиологии. Борьба за кальмаров

Эксперименты Ходжкина и Хаксли вызвали волну интереса и круглогодичный приток ученых в морские лаборатории Плимута и Вудс-Хоула. Поскольку кальмары кочующий вид, а ученые обычно занимаются преподаванием, лаборатории были обречены на превращение в «летние лагеря для исследователей» и в инкубатор идей и новых экспериментов. В особенности это касалось Вудс-Хоула. Кальмаров не хватало, и за лучшие образцы шла настоящая битва, так что очень быстро складывалась неофициальная иерархия получателей. В середине 1960-х гг. борьба за кальмаров стала настолько острой, что некоторые ученые стали искать другое место для работы зимой, и Монтемар неподалеку от Вальпараисо в Чили оказался идеальным для этого. К тому же чилийские кальмары — и их аксоны — были значительно крупнее.

Хотя в наши дни для исследования механизма генерирования и передачи нервных импульсов используются и другие виды клеток, включая клетки мозга млекопитающих, аксон кальмара по-прежнему остается ценным объектом экспериментов. В 1940-х гг. те немногие кальмары, которых вылавливали в Плимуте, оказывались настолько помятыми тралами рыболовецких судов, что жили очень недолго после доставки в лабораторию. В результате этого эксперименты надо было проводить немедленно. Рыболовецкие суда возвращались, как правило, ближе к вечеру, и работать приходилось всю ночь напролет. Поэтому по утрам Ходжкин и Хаксли отсыпались и планировали эксперименты. Когда я была в Вудс-Хоуле в 1980-х гг., распорядок дня там был таким же, и многие ученые после ночного бдения в лаборатории добирались до постели только на рассвете. Сегодня в Чили кальмаров часто ловят на удочку и повреждают значительно меньше. Однако из-за громадных размеров для тамошних кальмаров не так-то просто подобрать подходящий резервуар, поэтому ученые все равно вынуждены работать в ночную смену.

Со времен, проведенных в Вудс-Хоуле, я знаю, что аксоны, дающие наилучшие результаты, оставляют о себе память самым необычным образом. В конце эксперимента они взмывают вверх и шлепают по потолку лаборатории, оставляя узор из засохших закорючек. Со временем они так раскрасили потолок, что он стал смахивать на картины Джексона Поллока. Однако до потолка достают не все аксоны, «на небеса возносятся» только лучшие. Огонь!

Натриевые и калиевые каналы, которые открываются в ответ на изменение потенциала на клеточной мембране, являются ключевыми элементами механизма генерирования электрических сигналов в нашем мозге, сердце и мышцах. Когда нервные клетки находятся в состоянии покоя, и те и другие каналы плотно закрыты. При возбуждении нерва сначала натриевые каналы, а вслед за ними с небольшим отставанием и калиевые каналы начинают действовать, создавая кратковременное изменение мембранного потенциала — нервный импульс. Однако что инициирует этот процесс?

Важно то, что натриевые и калиевые каналы, участвующие в генерировании потенциала действия, чувствительны к потенциалу и открываются, если мембранный потенциал становится более положительным (деполяризация). Именно это происходит, когда нервная клетка возбуждается под влиянием входящего сигнала от другой нервной клетки или под действием внешнего электрического разряда. Чем больше при этом изменяется мембранный потенциал, тем больше открывается натриевых каналов и больше ионов натрия поступает в клетку. Помните, в соответствии с законом Ома изменение тока вызывает соответствующее изменение разности потенциалов? В нервной клетке натриевый ток сдвигает потенциал в положительном направлении, это приводит к открытию дополнительных натриевых каналов, что делает мембрану еще более положительной и приводит к открытию новых каналов, и т. д. Иными словами, возникает цикл с положительной обратной связью. Этим и объясняется взрывной, соответствующий закону «все или ничего» характер потенциала действия.

Два фактора возвращают мембранный потенциал к уровню покоя. Во-первых, натриевые каналы не бесконечно остаются открытыми при положительных мембранных потенциалах и в конечном итоге закрываются. Этот процесс называется инактивацией. Во-вторых, открываются калиевые каналы, и ионы калия уходят из клетки, восстанавливая дисбаланс зарядов и вновь сдвигая потенциал в отрицательном направлении. И это хорошо, что калиевые каналы открывают позже натриевых, ведь если бы они открывались одновременно, то натриевый и калиевый токи компенсировали бы друг друга, а значит, не было бы ни нервных импульсов, ни мыслей, ни действий. Ужасная гадость

Значение натриевых и калиевых каналов для генерирования нервного импульса подчеркивается тем фактом, что яды пауков, моллюсков, актиний, лягушек, змей, скорпионов и множества других экзотических существ воздействуют именно на эти каналы и, таким образом, нарушают функционирование нервов и мышц. Многие яды очень специфичны и нацелены на какой-нибудь один вид ионных каналов. Ну вот мы и вернулись к капитану Куку и иглобрюху.

Тетродотоксин, содержащийся в печени и других тканях этой рыбы, является сильнодействующим блокатором натриевых каналов в нервной ткани и скелетных мышцах. Он вызывает онемение и покалывание губ и рта уже через 30 минут после попадания внутрь. Ощущение покалывания быстро распространяется на лицо и шею, потом на пальцы и ступни, а затем наступает паралич скелетных мышц — человек теряет равновесие, начинает бессвязно говорить и не может пошевелить ни руками, ни ногами. В конечном итоге наступает паралич дыхательных мышц. На сердце яд не влияет, поскольку в его клетках натриевые каналы другого типа. Токсин также не может преодолеть гематоэнцефалический барьер, поэтому, как это ни ужасно, обездвиженная и умирающая жертва остается в сознании. Противоядия не существует, и смерть обычно наступает в интервале от двух часов до суток. В 1845 г. врач на борту голландского брига Postilion, идущего мимо мыса Доброй Надежды, был свидетелем того, как два моряка «умерли в течение 17 минут после того, как съели печень рыбы». Вместе с тем пострадавшие могут полностью восстановиться, если поддерживать искусственное дыхание до тех пор, пока яд не будет выведен из организма. Это требует нескольких дней.

Картина японского художника-графика Хиросигэ «Желотохвост и фугу». Иглобрюх (фугу) — это рыба меньшего размера.

В Японии иглобрюха называют фугу и считают деликатесом. К сожалению, наслаждение им обходится дорого. Если его готовят недостаточно тщательно, то даже мясо может быть ядовитым. Ежегодно от отравления тетродотоксином погибают несколько человек. По большей части это рыбаки, которые отваживаются съесть собственный улов. Отравления в ресторанах случаются намного реже, поскольку все повара, имеющие дело с фугу, в наше время должны проходить специальное обучение и после строгого экзамена получать лицензию. Тем не менее такие случаи все же бывают. В 1975 г. жертвой фугу стал популярный актер театра кабуки Бандо Мицугоро — он потребовал принести четыре порции печени, которая особенно опасна, и в ресторане не решились отказать такому знаменитому клиенту. Возможно, именно поэтому блюда из фугу запретны для императора Японии. При правильном приготовлении рыба должна приводить к очень незначительной интоксикации и вызывать приятное покалывание во рту. Разочек и я решила попробовать ее, но мне она показалась безвкусной. Привкус опасности — вот что придает пикантность блюду.

Не все случаи отравления фугу связаны с сознательным употреблением этой рыбы в пищу. В 1977 г. в Италии три человека умерли после того, как съели импортированного иглобрюха, который был по ошибке продан под видом морского черта. Десятилетие спустя у двух человек в штате Иллинойс появились симптомы, напоминающие отравление тетродотоксином, после того, как съели суп из импортного мороженого «морского ангела». Анализ, проведенный Управлением по контролю за продуктами и медикаментами США, подтвердил наличие яда и привел к изъятию из продажи всех 64 коробок импортного продукта. Сразу после этого посыпались иски к поставщику. Отравления приготовленными в промышленных условиях моллюсками довольно обычное явление в Китае и на Тайване — с 1997 по 2001 г. пострадали три сотни человек, из которых 16 умерли.

Тетродотоксин содержат многие живые существа: от рифовых рыб, крабов и морских звезд до плоских червей, саламандр, лягушек и жаб. Для большинства из них яд служит биологической защитой, однако некоторые, вроде смертельно опасного синекольчатого осьминога, накапливают его в специальном мешочке и используют для поражения жертвы. По какой причине так много разных животных содержат тетродотоксин, никто не знал до тех пор, пока не выяснилось, что на самом деле этот яд вырабатывают бактерии (Psuedoalteromonas tetraodonia), которыми животные питаются или которые живут у них в кишечном тракте. Иглобрюхи, выращенные в среде без этих бактерий, не содержат тетродотоксина. Оценят ли любители рыбу, лишенную элемента русской рулетки, так же высоко, как и рыбу, выросшую в естественных условиях, большой вопрос.

Литературный герой Джеймс Бонд, британский агент 007, похоже, имеет особые отношения с тетродотоксином — его травили этим ядом не менее двух раз. Роман «Из России с любовью» заканчивается тем, что член террористической организации СПЕКТР Роза Клебб бьет Бонда наполненной ядом иглой в носке туфли и оставляет умирать. Бонд, конечно, непобедим, и следующий роман «Доктор Ноу» начинается с того, что он оправляется после смертельной дозы тетродотоксина, который, по его словам, «ужасная гадость и действует очень быстро». Агент 007 выживает только потому, что напарник делает ему искусственное дыхание до тех пор, пока он не попадает в руки врачей. В другой раз в фильме «Осьминожка» Бонд сталкивается с синекольчатым осьминогом, укус которого приправлен тетродотоксином. Как всегда, он выходит из ситуации хоть и помятым, но непобежденным. Красные приливы и убийственное зелье

При благоприятных условиях водоросль Alexandrium способна размножаться настолько бурно, что море приобретает кровавый цвет. Катастрофические последствия таких явлений известны уже не одно столетие. Они упоминаются даже в Библии, которая очень живо рисует картину одного из величайших бедствий Египта: «Вода в реке превратилась в кровь. И погибла вся рыба в реке; и река смердела, и египтяне не могли пить воду из нее». Красные приливы несут миллионы крошечных водорослей, так называемых динофлагеллятов, которые вырабатывают сильные нейротоксины, включая сакситоксин. Как и тетродотоксин, он блокирует натриевые каналы. Такие биофильтраторы, как мидии и другие двустворчатые моллюски, могут питаться динофлагеллятами и накапливать вырабатываемые ими токсины. В результате они становятся ядовитыми для тех, кто их съест. Был случай, когда в аляскинских мидиях на 100 г ткани приходилось 20 000 мкг сакситоксина (в 250 раз больше предельно допустимой концентрации). При таком содержании яда употребление в пищу всего одной мидии может убить вас. Еще более опасен зеленый краб с Большого Барьерного рифа — одна особь может содержать такое количество токсина, которое достаточно, чтобы убить 3000 человек. Динофлагелляты сильнее всего размножаются весной и летом, когда много солнца и достаточно теплая вода. Возможно, именно с этим связана старая мудрость: «Не ешь моллюсков, когда в названии месяца нет буквы “Р”».

В развитых странах отравление моллюсками случаются редко в результате действенных программ контроля и жесткого регулирования. После обнаружения зараженных зон в них объявляется карантин и устанавливается запрет на продажу моллюсков. В последнее десятилетие сезонные вспышки отравлений моллюсками (главным образом сакситоксином) приводили к временным запретам продажи моллюсков в разных частях света. Особенно сильно пострадала индустрия морепродуктов на Аляске, поскольку местные моллюски ядовиты в течение большей части года. Однако если морепродукты, добываемые промышленным способом, безопасны, то не все так хорошо с моллюсками, которых люди собирают для себя. С 1973 по 1992 г. было зафиксировано 117 случаев отравления моллюсками на Аляске, при этом 75 % из них приходились на период с мая по июль. К счастью, смертельный исход был всего один, но госпитализация потребовалась многим. Самое масштабное отравление произошло в 1987 г. в Гватемале, когда пострадали сразу 187 человек, 26 из которых спасти не удалось.

Тетродотоксин и сакситоксин — молекулярные имитаторы. Они физически закупоривают внешнюю горловину поры натриевого канала, эффективно подавляют функцию канала и дают сходную физиологическую реакцию. Оба яда являются ценными исследовательскими инструментами, поскольку они избирательно блокируют натриевые каналы, не влияя на большинство других каналов. В настоящее время тетродотоксин рутинно используется в исследованиях для блокирования натриевых каналов с целью изучения механизмов функционирования других каналов. Его действие было открыто в 1962 г. Тосио Нарахаси, работавшим без сна и отдыха в течение Рождества и новогоднего праздника вместе с Джоном Муром и Уильямом Скоттом. Нарахаси вспоминает, как рецензент их рукописи написал заявку на токсин в конце своего отзыва. Это была первая из великого множества заявок.

Возможно, у вас возник вопрос: почему сакситоксин не действует на моллюски и почему иглобрюх плавает как ни в чем не бывало, несмотря на высокий уровень тетродотоксина? Дело в том, что сродство их собственных натриевых каналов к токсину сильно уменьшено в результате замены в процессе эволюции одной или нескольких аминокислот в месте присоединения токсина. Аналогичная мутация наблюдается в натриевых каналах клеток сердца. Это объясняет, почему наше сердце продолжает биться даже тогда, когда дыхательные мышцы полностью парализованы.

Сакситоксин использовался американскими агентами, участвовавшими в тайных операциях, как средство самоликвидации и нападения. Он очень ядовит и требуется в крошечных количествах (которые легко спрятать), а кроме того, он действует быстрее и эффективнее, чем цианид. Из-за того, что он стабилен, растворим в воде и почти в тысячу раз более токсичен, чем синтетические газы нервно-паралитического действия, подобные зарину, сакситоксин (под маркировкой SS или TZ) находился на военных складах США как химическое оружие. Его получили из тысяч моллюсков, собранных вручную на Аляске. В 1969–1970 гг. президент Никсон закрыл американскую программу разработки биологического оружия и приказал уничтожить все существующие запасы в соответствии с конвенцией ООН. Однако пять лет спустя сенатор Фрэнк Черч, председатель сенатского комитета по разведке, расследовавшего деятельность ЦРУ, обнаружил, что кто-то из руководителей среднего звена не подчинился. Около 10 г токсина, которых достаточно, чтобы убить несколько тысяч человек, все еще находились в центре Вашингтона в нарушение президентского указания. Токсин хранился в двух четырехлитровых контейнерах в небольшом холодильнике под верстаком, и эта находка вызвала нешуточный переполох.

Сообщение об этом привлекло внимание Мердока Ричи с медицинского факультета Йельского университета, который знал, какую ценность представляет собой токсин для ученых, занимающихся исследованием работы нервной системы. Он сразу же обратился к Черчу с просьбой не уничтожать его. Вопреки ожиданиям, ЦРУ предложило Ричи забрать весь токсин с тем условием, что он организует его распределение в научном сообществе. Ричи быстро сообразил, что хранение запасов токсина налагает огромную ответственность. Помимо прочего, количество токсина было небезграничным при высоком ожидаемом спросе. В такой ситуации, возможно, ему «придется ограничивать выдачу и даже отклонять заявки, а это верный путь нажить врагов». Поэтому Ричи мудро уступил распределение системе национальных институтов здравоохранения. Так исследователи ионных каналов получили неожиданный подарок.

Сакситоксин всегда было трудно добыть из-за его захватывающей истории, а первые успехи с синтезом сакситоксина в лабораторных условиях (в 1977 г.) привели к еще большему ужесточению контроля. В настоящее время он входит в Список 1 Конвенции о запрещении химического оружия. В отличие от этого тетродотоксин на протяжении многих лет рутинно заказывали у поставщиков лабораторных реагентов. Впрочем, после 11 сентября 2001 г. ситуация осложнилась по всему миру. Ученым разрешается хранить лишь крошечные количества токсина, все запасы подлежат обязательной регистрации и тщательно контролируются. Не так давно я сама столкнулась с этим, когда к нам неожиданно нагрянули представители антитеррористического подразделения британской полиции, с тем чтобы проверить наши запасы тетродотоксина. Король ядов

Не все токсины блокируют поры натриевых каналов. Есть и такие, которые держат каналы в открытом состоянии, что приводит к чрезмерному возбуждению нервных и мышечных волокон. Одним из самых сильнодействующих ядов является аконит, который столетиями использовался в качестве смертельного оружия. Одной из его жертв стал Лахвиндер Чима, который пришел домой, достал остатки вегетарианского карри из холодильника и разогрел их, чтобы перекусить вместе со своей невестой Гурджит. Они сидели, ужинали и обсуждали детали предстоящей свадьбы. Однако это продолжалось недолго. Минут через 10 Лахвиндер почувствовал, что у него немеет лицо, очень быстро он и Гурджит побледнели, у них началось головокружение и отнялись руки и ноги. Им удалось вызвать скорую помощь, но Лахвиндер скончался через час, а Гурджит еще боролась за свою жизнь. Она выжила только потому, что съела меньше карри. Блюдо было отравлено аконитом бывшей пассией Лахвиндера, ревнивой Лахвир Сингх, которая проникла в квартиру в его отсутствие.

Аконит, или правильнее аконитин, в разговорной речи называют королем ядов. Он содержится в борце (аконите), симпатичном растении с высоким стеблем и синими шлемовидными цветками, которое часто встречается в садах. В соответствии с древнегреческой мифологией оно вырастает там, куда упала слюна из пасти Цербера, трехглавого пса, который охраняет врата ада. Ядовитость этого растения столетиями интриговала писателей, оно фигурирует во множестве литературных произведений, включая рассказ Оскара Уайльда «Преступление лорда Артура Севила» и роман Джеймса Джойса «Улисс», где Рудольф Блум умирает «в результате передозировки волчьего корня (аконита), принятого в форме антиневралгической мази». Овидий рассказывает, как Медея пыталась убить Тесея, отравив его вино аконитом. В реальности люди умирали также от случайного употребления аконита. Одной из самых известных жертв был канадский актер Андре Ноубл. Поскольку токсин проникает через кожу, даже сбор растения без перчаток может вызвать симптомы отравления. Китс в одном из стихотворений не советует «выжимать из волчьего корня его ядовитый сок».

Другим сильнодействующим активатором натриевых каналов является батрахотоксин, который выделяют из желез на спине ярко окрашенных желтых и черных лягушек-древолазов из Южной и Центральной Америки. Его добывают американские индейцы и используют при изготовлении отравленных дротиков для духовых трубок. Как и в случае аконитина, против него нет противоядия. Батрахотоксин вырабатывают не сами лягушки, а жуки, которыми они питаются. Впрочем, доподлинно неизвестно, кто же именно вырабатывает яд — жуки или другие создания, являющиеся их пищей. Лягушки-древолазы — не единственные живые существа, заимствующие батрахотоксин у жуков в целях самозащиты. В Новой Гвинее двуцветная дроздовая мухоловка с великолепным оперением ярко красного и черного цвета тоже занимается этим. Ее перья и кожа отравлены батрахотоксином, как установил биолог Джон Дамбахер, неосмотрительно лизнувший царапину на пальце, оставленную птицей, которую он пытался освободить из сети. Он очень быстро почувствовал покалывание в пальцах и губах, а потом наступило временное онемение. Местный проводник сказал, что мухоловки — «дрянные птицы» и все знают, что они ядовиты.

Не менее опасен андромедотоксин, который также активирует натриевые каналы и заставляет их оставаться открытыми. Его выделяют некоторые виды рододендрона, и он накапливается в меде из нектара, собранного пчелами на его цветках. Эффект, вызванный употреблением в пищу отравленного меда, известен людям с незапамятных времен. Одно из первых упоминаний о «бешеном меде» можно найти у древнегреческого писателя и историка Ксенофонта. Он пишет, что во время похода в 401 г. до н. э. у г. Трабзон (на побережье Черного моря) «встретилось огромное количество пчел, и все солдаты, которые ели мед, лишались рассудка, мучились рвотой и расстройством желудка, валились с ног. Те, кто отведал чуть-чуть, походили на сильно пьяных, те, кто съел много, были подобны безумным, а некоторые, казалось, умирали. Они валялись на земле, как побитое войско, а общее состояние было подавленным». Ну а что же было потом? Никто не умер, и на следующий день все пришли в чувство. Описанные симптомы навели военачальников античных времен на мысль о том, что бешеный мед может быть эффективным биологическим оружием, если его разбросать на пути врага. И эта идея была реализована. В 67 г. до н. э. три римские когорты полководца Помпея, около 1400 солдат, находившихся в беспомощном состоянии после употребления бешеного меда, были перебиты противником. В наши дни отравления бешеным медом случаются нечасто, поскольку лишь редкие виды растений выделяют токсин, а поступающие в продажу партии меда смешиваются, так что содержание токсина сильно уменьшается. Единичные случаи отравления отмечаются на черноморском побережье Турции, где, как ни удивительно, бешеный мед считается стимулятором сексуальной активности. К счастью, фатальных исходов обычно не наблюдается.

Токсины, воздействующие на натриевые каналы, могут быть ценными инсектицидами, если их удастся нацелить на специфические для нервов насекомых ионные каналы. Одним из самых известных токсинов такого типа является дихлордифенилтрихлорэтан, который иначе называют ДДТ. Он активирует натриевые каналы в нервах насекомых, но не действует на каналы млекопитающих, имеющих генетические и структурные отличия. Активация натриевых каналов заставляет аксоны насекомых генерировать импульсы самопроизвольно, что приводит к спазму мышц и в конечном итоге к гибели. ДДТ играл важную роль в предотвращении распространения тифа и малярии во время Второй мировой войны и после нее, однако эффективность этого препарата постепенно снижалась, поскольку насекомые приобретали устойчивость к нему. Это происходило в результате сильного давления эволюционного отбора — распространения генетических мутаций, меняющих участок натриевого канала, к которому присоединяется ДДТ (и, таким образом, устраняющих его влияние). Применение ДДТ, кроме того, было поставлено под вопрос после выхода в свет книги Рейчел Карсон «Безмолвная весна», в которой применение ДДТ и других пестицидов называлось в качестве причины заметного сокращения числа певчих птиц в США. Хотя ДДТ не открывает натриевые каналы птиц и млекопитающих, он оказывает на них другое воздействие: у птиц, например, он вызывает утончение яичной скорлупы, повышение ее хрупкости и уменьшение числа вылупившихся птенцов. Правила натриевых каналов

Из череды изложенных выше поучительных историй и жутких зарисовок очевидно, что в природе существует огромное множество ядов, нацеленных на натриевые каналы, что их значительно больше, чем ядов, взаимодействующих с ионными каналами других видов. Одна из причин этого, возможно, заключается в том, что специализация натриевых каналов — быстрая передача нервных и мышечных импульсов. Заблокируйте их, и живое существо будет быстро парализовано и станет легкой добычей.

Многие токсины, нацеленные на ионные каналы, помимо прочего, имеют значительную ценность для ученых, пытающихся понять, как работают нервы. Поскольку действие таких токсинов чаще всего очень избирательно, их можно использовать для выделения вклада отдельно взятого канала в электрическую активность клетки. В наши дни токсины можно просто купить у специализированных компаний. В прошлом же все было иначе, и ученым не только приходилось очищать токсины самостоятельно, но и нередко заниматься сбором живых существ, которые вырабатывают яд.

Охотники за ядами были отважными искателями приключений. Одни из них ежегодно на протяжении месяца собирали улитки-конусы в Красном море, поочередно то ныряя за ними, то экстрагируя яд. Со стороны такая охота может показаться отдыхом, но на деле это тяжелая работа, не говоря уже о дополнительном напряжении, связанным с необходимостью постоянно быть начеку, чтобы не позволить улитке ужалить себя. Другие отправлялись в Северную Африку, где проводили ночи в пустыне. Там под безбрежным сводом небес, усеянном звездами, земля выглядит черной как смоль и кажется безопасной. Однако стоит включить ультрафиолетовую лампу, и вы увидите вокруг множество скорпионов, которые ярко светятся в ультрафиолетовом спектре. Тысячи этих членистоногих аккуратно собирают в большие бидоны для молока и отправляют во Францию. Там каждый месяц на протяжении недели их доят, добывая яд. Эта операция требует чрезвычайной осторожности, однако у опытного исследователя есть возможность избежать ядовитого укола — скорпиона нужно брать как можно ближе к кончику хвоста. В ответ на это он выделяет каплю яда, который собирают. Процесс сбора яда отнимает очень много времени — для получения достаточного для экспериментов количества токсина нужен яд 150 000 скорпионов.

Обилие ядов для натриевых каналов говорит о том, какое значение имеют эти каналы для функционирования нервов и мышц. Их особая чувствительность к потенциалу и избирательная проницаемость для ионов натрия принципиально важны для генерирования и передачи нервных импульсов, а также информации по аксонам нервов, например по двигательным аксонам, от головного и спинного мозга к мышцам. Что происходит, когда эти импульсы достигают нервных окончаний, и как они возбуждают мышечное волокно, мы узнаем в следующей главе.