Происхождение биологического электричества

Джаред Даймонд

Профессор географии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе; автор книги Collaps: How Society Choose to Fall or to Succeed («Коллапс: почему одни общества выживают, а другие умирают». М., АСТ, 2010)

Мое любимое глубокое, изящное и красивое объяснение – объяснение механизма выработки электричества животными и растениями. Британские физиологи Алан Ходжкин и Эндрю Хаксли предложили его в 1952 году, а в 1963 году они получили за эту работу Нобелевскую премию по физиологии и медицине.

К тому времени уже больше столетия было известно, что нервы, мышцы и некоторые другие органы животных и отдельных растений генерируют электроэнергию. Основная часть этого электричества имеет низкое напряжение – несколько вольт или всего лишь какие-то доли вольта. Однако у электрического угря имеется набор из 6 тысяч мышечных мембран, позволяющий ему генерировать напряжение в 600 вольт, вполне достаточное для того, чтобы убивать добычу и поражать мощным разрядом лошадей, переходящих реку вброд. Как-то один такой угорь меня тоже сильно ударил током: старшекурсником я изучал процесс вырабатывания электричества угрями и так сосредоточился на размышлении о физиологических механизмах, что на время позабыл об их практических следствиях.

Электричество подразумевает движение заряженных частиц. В наших лампочках и электросетях эти частицы – отрицательно заряженные электроны. А как обстоит дело в биологических системах? Больше века назад немецкий физиолог Юлиус Бернштейн предположил, что заряженные частицы, чье движение порождает биологическое электричество, – это не электроны, а положительно заряженные ионы.

Ходжкин и Хаксли начали свои решающие эксперименты в конце 1930‑х. Они ожидали обнаружить, что электрический потенциал на нервной мембране (т. е., собственно говоря, разность потенциалов по обе стороны мембраны) во время прохождения электрического импульса быстро падает до нуля благодаря избирательной проницаемости мембраны для положительно заряженных ионов калия. Однако выяснилось, что потенциал на нервной мембране не просто падает до нуля и нервная мембрана не просто становится неселективно проницаемой: потенциал меняет знак, а значит, требуется какое-то особое объяснение этого явления. Но тут Гитлер вторгся в Польшу, и следующие 6 лет Ходжкин и Хаксли провели, используя свое понимание электричества при конструирования радарных установок для британской армии.

В 1945 году ученые возобновили эксперименты, используя гигантские нервы, которые были обнаружены в спинной части кальмаров и которые оказались достаточно большими, чтобы в них можно было вставить электрод для измерения разности потенциалов на нервной мембране. Ходжкин и Хаксли подтвердили свое поразительное предвоенное открытие – нервный потенциал действительно меняет знак и это изменение передается вдоль нерва, как раз и создавая электрический импульс. В серии экспериментов невероятного изящества они искусственно создавали ту или иную фиксированную разность потенциалов на мембране, измеряя силу тока, входящего в мембрану и выходящего из нее, как функцию времени, и определяли на основе этих измерений потенциалов то, как меняется проницаемость мембраны по отношению к положительно заряженным ионам калия, а затем – к положительно заряженным ионам натрия (тоже в зависимости от потенциала и времени). В конце концов им удалось воссоздать всю цепочку распространения нервного импульса – путем изучения этих изменений проницаемости мембраны в зависимости от времени и потенциала. В наши дни студенты-физиологи выполняют расчеты биоэлектрических потенциалов на своих настольных компьютерах за несколько часов. В 1952 году, еще до наступления эры современных вычислительных машин, Эндрю Хаксли вынужден был выполнять эти расчеты на настольном калькуляторе, позволявшем ему обсчитать один нервный импульс примерно за месяц!

Четыре статьи, которые Ходжкин и Хаксли опубликовали в британском Journal of Physiology в 1952 году, настолько ошеломляли детальными описаниями перемещений ионов калия и натрия и реконструкцией нервных импульсов, что научный мир почти сразу же поверил в истинность этого открытия. Изменения проницаемости мембраны по отношению к положительно заряженным ионам (а не к отрицательно заряженным электронам) дают нервам возможность передавать электрические импульсы, нервно-мышечным узлам – передавать импульсы, которыми нервы активируют мышцы, участкам пересечения нервов (так называемым синапсам) – передавать импульсы, которыми один нерв активирует другой нерв, органам чувств – вырабатывать импульсы, которые превращают свет, звук и прикосновение в электричество. По сути, благодаря этим изменениям проницаемости функционируют наши нервы и наш мозг. Таким образом, процессы возникновения и распространения животного электричества, тайну которых раскрыли Ходжкин и Хаксли, позволяют вам читать эту страницу, думать об этой странице, перелистывать эту страницу, удивленно восклицать, размышлять и делать все прочее, что включает в себя движение, ощущения и мысль. Лежащий в основе этих действий принцип (перемещение положительно заряженных частиц) прост, однако промысел Божий чувствуется в тончайших деталях сих процессов и их элегантной реконструкции.

Почему древние греки изображали красные фигурки на черных горшках

Тимоти Тейлор

Археолог (Брэдфордский университет, Великобритания); автор книги The Artificial Ape («Искусственная человекообразная обезьяна»)

Хорошая штука – объяснение чего-нибудь такого, что кажется нам вовсе не нуждающимся в объяснении. А если оно приводит к объяснению и других вещей, которые кажутся не нуждающимися в объяснении, так это еще лучше. Если же оно порождает мощный скандал, в ходе которого различные группы интересов, прикрываясь академическими мантиями, пытаются сохранить существующее положение вещей, опасаясь далеко идущих последствий новой гипотезы, значит, это объяснение – в числе самых великолепных. Я выбрал простое и весьма далеко идущее объяснение Майкла Викерса: почему древние греки рисовали на своей керамике маленькие красные фигурки.

Краснофигурная ваза стала символом античности. Вопрос о том, почему изображенные фигуры не белые, желтые, лиловые или черные (а древнегреческие гончары могли производить и действительно производили такие красители для своих шликеров и глазурей), не кажется важным. Если посмотреть на проблему с практической точки зрения, можно сделать вывод, что благодаря такому цветовому единообразию древнегреческие покупатели керамики могли смешивать разную посуду, не опасаясь конфликта стилей, а общепринятая схема росписи позволяла гончарам сосредоточиться на их главной страсти – рассказывании историй при помощи своих изделий. Красные силуэты на черном фоне образуют сложные сцены – тут и мифология, и война, и производство, и домашняя жизнь, и спорт, и двусмысленный секс. Благодаря такому сочетанию цветов сцены выглядят графически выразительными. Всякий поймет, что здесь происходит (потому-то музеи часто хранят в запасниках, не выставляя на всеобщее обозрение, керамику на темы секса – традиционного, гомосексуального, лесбийского, группового, зоофильского и олисбоссекса, связанного с применением фаллоимитатора, дилдо).

Блестящая мысль Викерса состояла в том, чтобы приложить к свежему контексту идею, хорошо известную уже ученому Витрувию в I веке до нашей эры. Витрувий отмечал, что многие элементы греческих святилищ, кажущиеся чисто декоративными, на самом деле являют собой отзвуки прежних практических соображений. Небольшие ряды старательно обточенных каменных кубиков и просветов под самой кромкой крыши – это скевоморф, формальное эхо тех концов балок и стропил, которые упирались в соответствующие места, когда строения возводили из дерева, а не из камня. Майкл доказывал, что древнегреческая керамика также являлась скевоморфической, став дешевой заменой аристократических драгоценных металлов. По его мнению, красные фигуры на черном служили имитацией золоченых фигур на серебре, тогда как форма сосудов, с их острыми краями (на линии соединения дна со стенками) и тонкими ручками (которые так легко ломаются, будучи выполненными из глины), стала прямым заимствованием из арсенала серебряных дел мастеров.

Многим такое объяснение до сих пор кажется не слишком правдоподобным. Но для тех из нас, кто (как и я) работал в Восточной Европе на раскопках памятников железного века, с пышными варварскими курганами, набитыми предметами роскоши из драгоценных металлов, эта гипотеза кажется весьма разумной. Извлеченное из земли древнее серебро кажется черным, и золотые изображения на нем контрастно выделяются, имея красновато-желтоватую окраску. Раньше музеи обычно стремились «консервировать» такие сосуды, не понимая (как мы понимаем сейчас), что сульфидное чернение – вещь намеренная. Никакой древний грек не потерпел бы, чтобы его похоронили с сияющим серебром, ведь этот стиль предпочитали ненавистные грекам персы, которые таким образом хвастались своим доступом к экзотическим плодам – лимонам: именно при помощи лимонов они чистили серебро.

Для меня, сразу же с энтузиазмом принявшего идею Викерса, ключевым моментом стала фотография, на которой он запечатлел серию лекифов – изящных цилиндрических ваз для масла или благовоний, элегантной дугой уложенных в цепочку по убыванию длины. Тем самым он продемонстрировал, что никакой из лекифов (единственный тип широко распространенной керамики с белым фоном, черными были только основание и крышка) не превышал по диаметру самый большой многослойный цилиндр, какой можно вырезать из слоновьего бивня. Эти лекифы, поясняет Викерс, являлись скевоморфами оригиналов из слоновой кости, укреплявшихся на серебряных подставках.

Пока не до конца понятно, какие выводы можно сделать из этой гипотезы, однако репутация Древней Греции как цивилизации, ориентированной на философию и чистое искусство, теперь весьма контрастирует с образом мира, где каждый отчаянно стремился подражать богатым владельцам серебряных копей (существовавших благодаря рабскому труду) с их огромными флотами торговых галер. На мой взгляд, размах античной экономики во всех ее аспектах (рабство, торговля, численность населения, социальное расслоение) долгое время систематически недооценивался, как и воздействие колониализма на весь мир или влияние роста усложненности общества на доисторическую Евразию.

Забавная вещь: на современном арт-рынке краснофигурные вазы продаются и покупаются за баснословные суммы, а ведь древние греки ценили их совсем невысоко. И теперь совершенно очевидно: иллюзию того, что эти в действительности довольно дешевые «древние раритеты» дороги, намеренно подпитывали аукционные дома XIX века, весьма избирательно цитируя древнегреческие тексты с чисто рыночными целями.