Фрэнсис Эшкрофт

Искра жизни. Электричество в теле человека

Издание подготовлено при поддержке Фонда Дмитрия Зимина «Династия»

Переводчик Вячеслав Ионов

Руководитель проекта А. Тарасова

Корректор Е. Аксенова

Компьютерная верстка А. Фоминов

Дизайн обложки Ю. Буга

© Frances Ashсroft, 2012

© Издание на русском языке, перевод, оформление. ООО «Альпина нон-фикшн», 2015

Все права защищены. Никакая часть электронного экземпляра этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами, включая размещение в сети Интернет и в корпоративных сетях, для частного и публичного использования без письменного разрешения владельца авторских прав.

* * *

Фонд некоммерческих программ «Династия» основан в 2002 г.

Дмитрием Борисовичем Зиминым, почетным президентом компании «Вымпелком».

Приоритетные направления деятельности Фонда – поддержка фундаментальной науки и образования в России, популяризация науки и просвещение.

В рамках программы по популяризации науки Фондом запущено несколько проектов.

В их числе – сайт elementy.ru, ставший одним из ведущих в русскоязычном Интернете тематических ресурсов, а также проект «Библиотека «Династии» – издание современных научно-популярных книг, тщательно отобранных экспертами-учеными.

Книга, которую вы держите в руках, выпущена в рамках этого проекта.

Более подробную информацию о Фонде «Династия» вы найдете по адресу www.dynastyfdn.ru.

Введение

О теле электрическом я пою[1]

Так звездочет вдруг видит, изумлен,

В кругу светил нежданный метеор;

Вот так Кортес, догадкой потрясен,

Вперял в безмерность океана взор,

Когда, преодолев Дарьенский склон,

Необозримый встретил он простор[2].

Джон Китс. Сонет, написанный после прочтения чапменовского Гомера

Когда Джеймсу было всего несколько месяцев от роду, у него неожиданно обнаружился диабет, причем в такой форме, что потребовалась госпитализация. Перед ним маячила перспектива колоть инсулин на протяжении всей жизни. К тому же в процессе лечения выяснилось, что он развивается медленнее других детей. К пяти годам Джеймс только начал ходить, у него были проблемы с речью и случались приступы детских капризов, характерные для двухлетнего возраста. Жизнь обеспокоенных его судьбой родителей была не сладкой.

Как оказалось, Джеймс страдал очень редкой формой диабета, вызванной генетическим дефектом (мутацией) в белке, известном, как АТФ-зависимый калиевый канал, который играет важную роль в секреции инсулина и функционировании мозга. Чаще всего мутации АТФ-зависимых калиевых каналов вызывают только диабет, однако примерно в 20 % случаев, как и в случае с Джеймсом, они влекут за собой целый букет неврологических расстройств, включая задержку развития, гиперактивность, поведенческие расстройства и мышечную дисфункцию. Все связано с тем, что АТФ-зависимые калиевые каналы влияют на электрическую активность клеток, вырабатывающих инсулин, а также клеток мышечной ткани и мозга. Наши с Джеймсом истории переплелись, поскольку именно изучение АТФ-зависимых калиевых каналов – дело моей жизни – позволило ему отказаться от ежедневных инъекций инсулина и перейти на прием нескольких таблеток.

Диабет возникает тогда, когда бета-клетки поджелудочной железы не удовлетворяют потребности организма в инсулине и уровень сахара в крови повышается. Еще в 1984 г. я обнаружила в мембране, окружающей бета-клетку, АТФ-зависимые калиевые каналы, которые регулируют электрическую активность клетки и, таким образом, выделение инсулина. Каналы функционируют как крошечные молекулярные поры, открывающиеся и закрывающиеся в ответ на изменения содержания сахара в крови. Когда поры закрыты, секреция инсулина стимулируется, а когда открыты – ингибируется{1}.

Я очень ясно помню тот день, когда произошло открытие. Как это часто бывает, озарение пришло поздно вечером. У меня были предположения, что введение глюкозы в раствор для культивирования бета-клеток должно привести к закрытию каналов. Однако, когда так и произошло, я решила, что это – техническая ошибка. Уверенность была настолько сильной, что я чуть не прекратила эксперимент. Все же, чтобы лишний раз убедиться в своей неправоте, мне захотелось посмотреть на эффект удаления сахара. Я рассудила, если глюкоза действительно регулирует активность каналов, то ее удаление должно привести к их открытию. Ну а в случае простой технической ошибки они так и останутся закрытыми. Через несколько томительных минут ожидания каналы открылись. Я была на седьмом небе. Я танцевала на улице, прыгала от радости, а звезды рассыпались вокруг меня разноцветными огнями. Воспоминание об этом моменте до сих пор будоражит кровь и заставляет улыбаться. Ничто – ничто на свете – не может сравниться с радостью открытия, с осознанием того, что ты первый на планете, кто увидел нечто новое и понял, что оно означает. Такое не часто выпадает на долю ученого, возможно, раз в жизни, и обычно требует многих лет упорного труда. Но восхитительное чувство открытия воистину волшебно, это событие переворачивает жизнь и держит тебя в седле даже в трудные времена. Оно превращает науку в захватывающее приключение.

Тем вечером я чувствовала себя подобно отважному Кортесу, который безмолвно стоял на горном пике в провинции Дарьен, но видела не Тихий океан вдали, а перспективы, нарисованные воображением. Я совершенно ясно видела, куда мне надо двигаться, какие эксперименты нужно провести и что должно получиться. Наутро, как водится, уверенность испарилась, и чудесный результат стал казаться простой ошибкой. Найти истину можно было только одним путем – снова, снова и снова повторять эксперимент, иными словами, вернуться к повседневной рутине научных исследований, очень далекой от восторга открытия.

Даже в те далекие годы все понимали, если каналы не будут закрываться при повышении уровня глюкозы в крови, то результатом станет прекращение секреции инсулина и диабет. Чтобы доказать это, нам нужно было найти изменения в структуре ДНК, которая отвечает за синтез АТФ-зависимого калиевого канала у людей, больных диабетом. Для идентификации нужной последовательности ДНК потребовались 10 лет и усилия множества людей по всему миру, но когда мы наконец попытались определить мутации, то так ничего и не нашли.

Мутации все же были обнаружены, но еще 10 лет спустя, и сделал это мой друг Эндрю Хаттерсли. Эндрю – удивительный человек. Высокий, худощавый, рыжеволосый, с проницательным складом ума и отзывчивым характером, это и замечательный врач, и блестящий ученый. Он не только догадался, что мутации, за которыми мы охотимся, вероятнее всего, встречаются у родившихся с диабетом (а не у тех, кто приобрел его позднее), но и инициировал глобальный поиск таких людей. Когда в 2003 г. Эндрю со своей коллегой Анной Глойн идентифицировал первую мутацию, он позвонил мне и предложил работать вместе. Этот звонок я никогда не забуду.

В процессе совместной работы мы показали, что мутации АТФ-зависимых калиевых каналов вызывают диабет потому, что держат канал в открытом состоянии, блокируют электрическую активность и секрецию инсулина. Но главное, оказалось, что дефектные каналы закрываются под действием препаратов из группы производных сульфонилмочевины, которые эффективно применяются уже более полувека для лечения диабета 2-го типа (диабет зрелого возраста) и которые, как было известно, закрывают нормальные АТФ-зависимые калиевые каналы.

В прошлом пациентам с врожденным диабетом назначали инъекции инсулина, поскольку по симптоматике их заболевание походило на необычно раннюю форму диабета 1-го типа (ювенильный диабет). При этом заболевании бета-клетки разрушаются самим организмом, и впрыскивание инсулина на протяжении всей жизни просто необходимо. В результате лечение Джеймса и других, подобных ему больных, начиналось не с лекарств, а сразу с инсулина. Наше исследование говорило о том, что таким больным можно назначать таблетки сульфонилмочевины. К всеобщему восхищению, новое средство не только работало, но и действовало намного лучше инсулина. Более 90 % страдающих неонатальным сахарным диабетом смогли перейти на новый метод лечения.

Редко какому исследователю выпадает счастье увидеть, как результаты его работы становятся клинической практикой, и еще реже удается встретиться с людьми, жизнь которых они изменили. Мне в этом смысле очень повезло. Словами невозможно выразить чувства и переживания, возникающие при встрече с детьми и семьями, которым помогла твоя работа. Ну вот, например, миловидная девочка-подросток говорит: «Благодаря вам я могу носить платье». «Почему?» – не понимаю я. «Теперь, – отвечает она, – мне не нужен ремень на поясе юбки или брюк, чтобы крепить к нему дозатор инсулина». Дозатор инсулина, быстро соображаю я, это страшно неудобная штука. С ним не поплаваешь и не поныряешь в удовольствие в теплом море – каждый раз его приходится снимать, а потом подсоединять. А потом, он безнадежно портит фигуру, если надеть что-нибудь обтягивающее. Таблетки устраняют эту проблему и позволяют отказаться от болезненных инъекций. Но у этого метода есть и более серьезные преимущества. По невыясненным пока причинам (мы, конечно, занимаемся этим вопросом) сульфонилмочевина дает намного более устойчивый уровень глюкозы в крови, чем инсулин. Сильные колебания концентрации сахара в крови уходят в прошлое, и гипогликемические приступы становятся значительно более редким явлением (а в некоторых случаях практически исчезают). К тому же понижается средний уровень сахара в крови, а вместе с ним и риск диабетических осложнений (почечная недостаточность, сердечная недостаточность, слепота и ампутация конечностей).

Страдающие неонатальным диабетом и их семьи восприняли новый метод лечения как чудо. Однако ничего сверхъестественного в нем не было – только чистая наука. Это понимание того, как ионные каналы регулируют электрическую активность бета-клеток поджелудочной железы и, таким образом, секрецию инсулина, позволило больным отказаться от инъекций и дозаторов инсулина и перейти на прием таблеток. Лишь более ясное представление о механике электрической активности нервных и мышечных клеток дало возможность найти более действенные методы борьбы с их неврологическими проблемами.

Все знают, что электричество приводит в действие машины, гораздо менее известно, что это же самое можно сказать о нас самих. Ваша способность читать и понимать написанное, видеть и слышать, думать и говорить, шевелить руками и ногами и даже осознавать собственное «Я» обусловлена электрическими явлениями, происходящими в нервных клетках мозга и в клетках мышечной ткани конечностей. Электрическая активность в клетках инициируется и регулируется ионными каналами. Эти малоизвестные, но критически важные белковые образования есть в каждой клетке нашего тела и в каждой клетке всех организмов на Земле. Они регулируют наши жизненные процессы с момента зачатия и до последнего вздоха. Ионные каналы являются в подлинном смысле «искрой жизни», поскольку от них зависят все без исключения аспекты нашего поведения. Активность ионных каналов лежит в основе всего – от движения хвостика сперматозоида до сексуального влечения, биения сердца, желания съесть еще одну конфетку и ощущения солнечного тепла кожей. Учитывая их вездесущность и функциональную важность, стоит ли удивляться тому, что действие массы медицинских препаратов нацелено на регулирование активности этих крошечных молекулярных механизмов, а нарушение функционирования ионных каналов становится причиной многих болезней человека и животных. Свиньи, которых тремор приводит к гибели, козы, столбенеющие и теряющие равновесие при испуге, люди, страдающие фиброзно-кистозной дегенерацией, эпилепсией, нарушением сердечного ритма и (как и я) мигренью, – все они жертвы дисфункции каналов.

В Музее современного искусства в Париже есть необычный памятник ученым и естествоиспытателям, внесшим вклад в открытие электричества. Гигантское панно «Фея электричества» высотой 10 м и длиной 60 м было написано по заказу Парижской электрической компании для украшения французского павильона на Всемирной выставке 1937 г. в Париже. Эта работа принадлежит кисти французского художника, представителя фовизма Рауля Дюфи, который больше известен своими удивительно яркими изображениями кораблей. Для ее завершения художнику с двумя помощниками потребовалось четыре месяца. Фея электричества парит в небесах в левом углу картины над самыми известными творениями человечества, среди которых Эйфелева башня, Биг-Бен и собор Святого Петра в Риме. За нею следуют почти 110 человек, так или иначе приложивших руку к освоению электричества, – от древних греков до наших времен. По мере смены эпох на панно сельские пейзажи уступают место паровозам, доменным печам, прочим прелестям промышленной революции и, наконец, гигантским мачтам линий электропередачи, несущих энергию планете.

Величественная картина Дюфи прославляет ученых и инженеров, определивших облик нашего сегодняшнего мира, – Ампера, Архимеда, Ома, Фарадея, Франклина, Эдисона и других. Однако существует еще плеяда менее известных ученых, последователей Гальвани, открывателя «животного электричества». Им мы обязаны существованием лекарств и технологий, которые ныне воспринимаются в больницах как нечто само собой разумеющееся, а также знаний о том, как наш организм функционирует. Именно им посвящается эта книга. В ней раскрывается процесс развития наших представлений о животном электричестве и их связь с углубляющимся пониманием природы самого электричества, объясняется происхождение электричества в организме и излагаются драматические, захватывающие, а иногда трагические истории о том, что случается, когда разлаживаются тонкие механизмы. Что происходит во время сердечного приступа? Можно ли действительно умереть от страха? Почему некоторые не могут остановиться, когда едят бананы? Что в действительности делает ботокс? Почему электрический угорь может ударить током? Как летучие мыши-вампиры отыскивают свои жертвы? Можно ли утверждать, что один человек воспринимает красный цвет точно так же, как и другой?

Настоящая книга дает ответы на эти и другие вопросы. Она объясняет, как работают ионные каналы и как они дают начало электрической активности нервной и мышечной ткани. Из нее вы узнаете, что ионные каналы являются нашими окнами в мир и что все наши чувственные восприятия – от наслаждения квартетом Моцарта до определения точки, где теннисный мяч коснется земли, – зависят от их способности преобразовывать информацию от органов чувств в электрические сигналы, которые могут интерпретироваться мозгом. В ней мы рассмотрим, что происходит, когда человек засыпает или теряет сознание, и обсудим, как более глубокое понимание электрической активности мозга сказывается на объяснении связи между интеллектом и мозгом.

По существу в книге написана почти детективная история об особой разновидности белковой материи – ионном канале, – которая переносит нас из античной Греции на передний край современных исследований. Во многом это рассказ о сегодняшнем дне. Хотя о воздействии статического электричества и молнии на живой организм известно уже не первый век, лишь в последние десятилетия ученые смогли открыть ионные каналы, разгадать их функции и впервые увидеть прекрасную, тонкую и невероятно сложную структуру. Книга, помимо прочего, панегирик тем уникальным белкам, которые захватили мое воображение еще в молодости и не отпускают меня до сих пор. Это всепоглощающая страсть моей жизни. Выражаясь высоким слогом Уолта Уитмена[3], «о теле электрическом я пою».

Глава 1

Эпоха чудес

Я нахожусь под огнем критики двух расположенных на разных полюсах сект – ученых и невежд. И те и другие насмехаются надо мной и называют меня «повелителем танцующих лягушек», но я знаю, что открыл одну из величайших сил природы.

Луиджи Гальвани{2}

«В одну из ненастных ноябрьских ночей я наконец подошел к завершению моих трудов. Едва сдерживая волнение, я расставил вокруг приборы, с помощью которых можно было вдохнуть искру жизни в бесчувственное тело, лежавшее у моих ног. После полуночи прошел час, дождь уныло барабанил в окно, свеча почти догорела, когда в ее неверном свете я увидел, как открылись мутные желтые глаза, как существо начало дышать и судорожно подергивать конечностями». Так Виктор Франкенштейн в романе Мэри Шелли «Франкенштейн», вышедшем в 1818 г., описывал создание монстра.

Принято считать, что для оживления монстра Франкенштейн использовал энергию молнии. Это заблуждение связано, скорее всего, со знаменитым фильмом 1931 г., в котором монстра сыграл Борис Карлофф. Сама Шелли была намного более осмотрительной и упомянула только «приборы». Тем не менее роман заставляет предположить, что именно электричество позволило вдохнуть в монстра «искру жизни». Франкенштейн дает очень красочное описание увиденного им в молодости удара молнии, которая разнесла в щепки старый дуб. А когда он интересуется у своего отца природой молнии, то узнает, что это – «электричество». Шелли еще в предисловии пользуется случаем, чтобы отметить связь физиологии и электричества: «не исключено, что умершего можно реанимировать; гальванизация стала символом таких вещей».

И Мэри, и ее возлюбленный Перси Биши Шелли очень живо интересовались нарождающейся наукой об электричестве и влиянием электричества на человеческий организм. Перси был настоящим энтузиастом и экспериментировал с электричеством в Итоне, Оксфорде и даже дома – его сестра вспоминает, как ей было страшно, когда с братом они «ходили, взявшись за руки, вокруг стола, чтобы электризоваться». Перси, в конце концов, выставили из Оксфорда за атеистические взгляды. В 1810 г. во время зимних каникул перед его последним семестром в университете он написал своему руководителю, что, по его мнению, человек – «масса электризованной плоти, способной вмещать, связывать и разрушать вездесущий разум вселенной». Спустя 200 лет «электризованная плоть» по-прежнему остается довольно хорошим описанием человеческого мозга.

Хотя идея оживления умершего создания с помощью электричества может показаться нам смешной и мы знаем, что удар молнии нередко несет смерть, даже сегодня вряд ли кто будет отрицать, что электричество – это искра жизни. Идущая поздно вечером британская телевизионная программа по искусству (The South Bank Show) начинается с демонстрации стилизованной версии знаменитой картины Микеланджело «Сотворение Адама», на которой с указующего перста Господа срывается электрическая искра. Не покажется нам полностью фантастической и идея о том, что люди, как и все остальные организмы, являются электрическими механизмами. Как вы увидите в этой главе, углубление знания о «теле электрическом» тесно связано с нашим пониманием самого электричества.

Начальные представления

В сухой холодный день каждый может получить удар электрическим током, когда открывает дверцу автомобиля или берется за металлическую дверную ручку, и услышать, как потрескивают электрические искры при стягивании нейлоновой рубашки. Нижняя юбка, прилипающая к ногам, слипшаяся одежда, вытащенная из стиральной машины после сушки, кончики волос, приподнимающиеся, когда вы снимаете шляпу, электрический удар, когда вы целуетесь с кем-нибудь, слабое потрескивание электрических разрядов при расчесывании волос – все это проявления статического электричества, накапливающегося на нашем теле. Во влажной атмосфере заряд быстро исчезает, в сухой же он может достигать тысяч вольт. При приближении к металлическим предметам или даже к другому человеку происходит разряд. Прикосновение вовсе необязательно, поскольку электричество пробивает зазор, образуя искру. «Электрическое» притяжение, возникающее между двумя людьми, тот самый особый импульс, может быть не просто рассказами влюбленных.

Электростатика начинается с пристрастия древних греков к янтарю. Это греческое название янтаря, «электрум», производное от «электор» – «сияющий», дало нам слова «электрон» и «электричество». Поскольку янтарь обычно находят на морском побережье, куда его выносит прибой, происхождение этого камня всегда считалось загадочным. Историк Демострат считал, что это окаменевшая моча рыси. Овидий предлагает другую историю. Он рассказывает, что Фаэтон направил колесницу Аполлона (Солнце) прямо на Землю и был сражен Зевсом, чтобы избежать катастрофы. Безутешные сестры Фаэтона превратились в тополя, а их золотые слезы – в янтарь, который упал в реку Эридан, где утонул Фаэтон.

Теперь мы знаем, что янтарь – это окаменевшая смола когда-то росших на Земле сосен. Он знаком нам как материал для изготовления ювелирных украшений и как среда, в которой встречаются превосходно сохранившиеся доисторические насекомые. Однако янтарь интересен не только этим, у него есть еще одно любопытное свойство. При трении о шерсть в нем генерируется статическое электричество, под действием которого притягиваются легкие сухие предметы вроде небольших кусочков бумаги, перышек, частичек мякины и волос. Возможно, поэтому сирийские женщины, использовавшие веретена с декоративными янтарными грузиками на концах, называли его «захватом». Считается, что первым, кто упомянул способность янтаря притягивать предметы, был Фалес Милетский[4] в V в. до н. э., хотя с полной уверенностью утверждать это нельзя, поскольку истории о его деятельности передавались устно до тех пор, пока их не записали более поздние философы, такие как Теофраст.

Янтарь генерирует статическое электричество потому, что он притягивает электроны из атомов шерсти и, таким образом, приобретает отрицательный заряд, оставляя шерсть положительно заряженной. Заряд возникает в результате соприкосновения янтаря и шерсти – трение при этом не играет никакой роли, оно лишь увеличивает площадь контакта двух поверхностей. Поскольку противоположные заряды притягиваются, любой материал, имеющий естественный положительный заряд, прилипает к отрицательно заряженному янтарю. И наоборот, поскольку одноименные заряды отталкиваются, волосы в результате электризации отклоняются друг от друга насколько это возможно и топорщатся как у Петера Волосы Дыбом из немецкой иллюстрированной книжки для детей. Между прочим, в «статическом» электричестве нет ничего статического. Термин свидетельствует лишь о том факте, что положительный и отрицательный электрические заряды физически разделены. Как только положительно заряженный материал оказывается достаточно близко к отрицательно заряженному материалу, возникает электрический ток, который проявляется в виде проскакивающей искры.

Первым, кто изобрел чувствительный прибор для демонстрации индикации статического электричества (прототип электроскопа), был Уильям Гильберт, врач королевы Елизаветы I. Он использовал его для составления перечня материалов, которые могут электризоваться в результате трения. Гильберт, кроме того, отличал притягивающую силу янтаря от притягивающей силы магнитов и утверждал, что это два разных явления. Гильберт был ученым в полном смысле этого слова и исходил из того, что написанному не следует верить и все нужно проверять экспериментально. Он писал, что «в наш век появилось много книг о скрытых, неясных и таинственных причинах и чудесах, в которых янтарь и гагат представляются как занятные безделушки; однако в них предмет рассматривается лишь на словах, без попыток найти объяснения или доказательства путем экспериментов, такие высказывания еще больше затуманивают вопрос». Таким образом, по его заключению, «вся их философия бесплодна». Слова Гильберта были пророческими – сегодняшние ученые предъявляют те же претензии защитникам астрологии и альтернативной медицины.

Огненные шары

Первый прибор, способный генерировать статическое электричество, создал Отто Герман фон Герике в 1663 г. Он представлял собой шар из самородной серы размером с голову ребенка. Через центр шара проходил деревянный стержень, который лежал на опоре и позволял вращать шар вокруг оси с помощью кривошипного механизма. Когда к вращающемуся шару прижимали сухую руку или кусок ткани, возникал электростатический заряд. Вряд ли фон Герике понимал, что его аппарат генерирует электричество в современном смысле этого слова, однако от него не ускользнула способность шара притягивать пушинки и другие легкие материалы, а также то, что после соприкосновения с шаром пушинки отталкивались от него, и их можно было разогнать по комнате, если снять шар с аппарата. Осторожные манипуляции даже позволяли ему посадить пушинку на другой предмет, например на нос коллеги.

Фронтиспис[5] книги Novi profectus in historia electricitatis, post obitum auctoris Христиана Августа Гаузена (1743 г.) с изображением опыта Стивена Грея с «летающим мальчиком». Справа виден шар фон Герике. Маленький мальчик слева, похоже, стоит на изолирующем барабане и не чувствует электрического удара при соприкосновении с летающим мальчиком. Однако, когда это делает мужчина, летят искры, и через его заземленное тело проходит ток.

Одним из наиболее известных случаев применения аппарата фон Герике был опыт с «летающим мальчиком», поставленный Стивеном Греем в 1730 г. За него Грей был первым удостоен медали Копли, высшей награды Королевского научного общества Великобритании. Ребенка подвешивали на неэлектропроводных шнурах из шелка и заряжали, прижимая ноги к вращающемуся шару из серы. Папиросная бумага, тонкие волокна и другие легкие предметы притягивались к его рукам, и искры летели с них, когда происходил разряд.

Крупные шары из серы было непросто добыть, поэтому позднее в электростатических генераторах стали использовать круглые пластины (или шары) из стекла, которые терлись о неподвижную ткань. В одном из таких аппаратов, изготовленном для императора Наполеона, диаметр пластины достигал 125 см. Современным аналогом такого аппарата является генератор Ван-де-Граафа, который позволяет получить напряжение в миллионы вольт и хорошо известен по зрелищным демонстрациям с «волосами, встающими дыбом».

Удар током

Способа сохранять электростатический заряд не существовало до появления в октябре 1745 г. лейденской банки, которую изобрел немецкий священнослужитель Эвальд Юрген фон Клейст. Всего несколько месяцев спустя нидерландский ученый Питер ван Мушенбрук доложил Парижской академии наук об аналогичном независимом изобретении. Его письмо было переведено Жаном-Антуаном Нолле, аббатом картезианского монастыря в Париже, который и назвал устройство лейденской банкой в честь города Лейден в Нидерландах, где работал Мушенбрук.

Лейденская банка напоминает пустую стеклянную банку из-под джема, внутренняя и наружная поверхность которой примерно на две трети высоты покрыты тонкой металлической фольгой. Через неэлектропроводную крышку в горловину банки вставляется латунный стержень, соединенный с внутренней металлической фольгой цепочкой. Если наружный слой фольги заземлить, то внутренний слой можно зарядить от генератора статического электричества через стержень. Это происходит потому, что стеклянная стенка банки служит изолятором и не позволяет заряду перетекать к наружному слою фольги. Разность потенциалов между двумя слоями фольги может быть очень высокой. Устройство разряжается путем соединения внутреннего и наружного слоя фольги с помощью двух проводников, между которыми при их сближении проскакивает впечатляющая электрическая искра, или, что не рекомендуется, с помощью рук.

Заряд, накопленный в лейденской банке, может быть очень значительным и чрезвычайно опасным, как убедился Мушенбрук. Он написал, что «прикоснувшись правой рукой [к банке], я испытал удар такой силы, словно в меня ударила молния… это было так болезненно, что невозможно описать. Я думал, мне пришел конец». Мушенбрук также сказал, что не согласился бы повторить этот эксперимент, даже если бы ему предложили за него целое королевство, и предостерег других от подобных попыток. Но они все равно продолжались, и результат их был предсказуем. У некоторых наблюдались судороги и даже временный паралич. Один немецкий профессор после того, как получил сильный удар током и разбил нос, стал экспериментировать на своей жене!

Эти эффекты были, конечно, прекрасно известны Жюлю Верну, который описал фантастическое устройство в своем приключенческом романе «Двадцать тысяч лье под водой». В романе капитан Немо объясняет господину Аронаксу, что его подводное ружье стреляет стеклянными капсулами, которые представляют собой «настоящие лейденские банки в миниатюре, несущие электрический заряд высокого напряжения. При самом легком ударе они разряжаются, и животное, каким бы могучим оно ни было, падает замертво». Несмотря на некоторые художественные вольности, автор ясно показывает, насколько опасными считались лейденские банки.

Сила удара электрическим током из лейденской банки поражала экспериментаторов по той причине, что она была намного сильнее эффекта отдельной искры от электростатического генератора. Это объяснялось тем, что банка позволяла накапливать и хранить заряд множества электрических искр, который затем высвобождался весь сразу. Первоначально считалось, что электричество представляет собой текучую среду, а потому использование бутылок и банок для его накопления было естественным. Однако впоследствии выяснилось, что это не так, и сегодня на смену лейденским банкам пришли конденсаторы. Принцип их работы абсолютно тот же. Они состоят из двух параллельных металлических пластин, разделенных тонким слоем неэлектропроводного материала, например слюды, стекла или воздуха. Величина заряда, который конденсатор способен накапливать, зависит от площади пластин и расстояния между ними и может быть значительной. В первом ускорителе частиц, построенном в 1930-е гг. в Кембриджском университете Джоном Кокрофтом и Эрнестом Уолтоном, использовались батареи конденсаторов, разность потенциалов в которых доходила до миллиона вольт.

Прыгающие монахи

Одна из первых демонстраций воздействия электричества на человека была организована аббатом Нолле. В 1746 г. он велел 200 своим монахам образовать цепь окружностью почти в милю и взяться руками за длинные железные прутья. Когда они выстроились, аббат незаметно присоединил концы цепи к лейденской банке. Результат был очень эффектным, поскольку электрический разряд заставил монахов подпрыгивать поочередно и наглядно показал, что ток течет очень быстро. Французский ученый Лемонье отметил в своих записках, что «было любопытно видеть, как получившие удар током подпрыгивали и вскрикивали». Узнав об этом представлении, король Людовик XV вернулся в Версаль и заставил прыгать 180 солдат, взявшихся за руки. Адам Уокер, известный британский экспериментатор конца XVIII в., пошел еще дальше и хвастался тем, что «наэлектризовал два полка солдат, 1800 человек».

Эти эксперименты стали сенсацией. Публичная демонстрация эффектов электричества превратилась в повальное увлечение, и странствующие лекторы заполонили города. Одним из самых известных организаторов представлений был Бенджамин Мартин, виртуозный затейник, который открыл сезон лекций 1746 г. в английском городе Бат показом ярких электрических разрядов, «удивительных потоков лилового огня». В затемненном помещении они выглядели красочно и необычно. Как и аббат Нолле, он интриговал зрителей тем, что предлагал им взяться за руки и испытать на себе воздействие электрического тока, которое было не «таким сильным и опасным, как их убеждали, и его мог выдержать любой человек (особенно мужчина)». Автор одного из писем того времени отмечал, что эти публичные представления были «общепринятой темой светских разговоров. Аристократки забывали о своих картах и скандалах и рассуждали об эффектах электричества».

Были случаи, когда представителям публики предлагали зарядиться статическим электричеством и зажечь бренди или эфир искрой, срывающейся с пальца. Дамы надевали стеклянные туфли, изолирующие их от земли, заряжались статическим электричеством, и, когда сердечный друг приближался к ним для поцелуя, между губами проскакивала искра. Поцелуй наэлектризованной Венеры, так это называлось, был жгучим. Появилась масса электрических игрушек. Скрытые слова проявлялись на «искровых досках», когда в небольших зазорах проскакивали искры, бумажные балерины оживали в результате притяжения и отталкивания электрических зарядов, «грозовые домики» демонстрировали эффект попадания молнии в здание. Еще более эффектными были пистолеты и игрушечные пушки, которые стреляли под действием тепла, выделяемого электрической искрой.

Многие поначалу относились с подозрением к этим опытам, как и к тем, кто их демонстрировал, – электричество считалось атрибутом высшей силы, манипулирование которым было богохульством. Другим оно представлялось формой огня, именно поэтому Мэри Шелли дала своей книге подзаголовок «Современный Прометей» – в честь героя древнегреческих мифов Прометея, который украл огонь у богов и отдал его людям{3}. В целом электричество считалось новой «штучкой», любопытной, но не имеющей практического значения. Затем на сцене появился Бенджамин Франклин и коренным образом изменил существовавшие представления. Под его влиянием электричество покинуло салоны и стало разделом науки.

Похищение молнии у небес

{4}

Франклин, по общепринятому мнению, первым показал, что молния – это форма электричества. Его самый известный эксперимент был поставлен в июне 1752 г. Франклин тогда запустил воздушного змея при приближении грозы в стремлении доказать, что молния представляет собой поток электризованного воздуха. На верхушке змея он установил короткий, жесткий, заостренный проводник, привязал металлический ключ к концу удерживающей змея веревки, а к ключу привязал шелковую ленту, чтобы изолировать его от земли. Когда грозовая туча приблизилась, Франклин увидел, что волокна пеньковой веревки встали дыбом, и понял, что веревка наэлектризовалась. Он также обратил внимание на то, что между ключом и его пальцами стали проскакивать искры и что от ключа можно было зарядить лейденскую банку. Франклину повезло, что в него не ударила молния, – это был очень опасный эксперимент.

В действительности, однако, Франклин был не первым среди тех, кто продемонстрировал, что молния является электрическим разрядом. Пальма первенства принадлежит французу Тома-Франсуа Далибару. В мае того же года Далибар установил 12-метровый железный шест толщиной 2,5 см на тщательно изолированном от земли основании из доски, лежащей на трех винных бутылках, и укрепил его растяжками из шелковых веревок. Во время грозы электрический заряд мог поступать от шеста к лейденской банке. По признанию Далибара на этот эксперимент его вдохновила работа Франклина с описанием «экспериментов и наблюдений» за электричеством, в которой американец выдвигал предположение, что такой заостренный шест должен притягивать молнию из облака, и советовал, как экспериментатору избежать опасности. Опыт Далибара произвел сенсацию в Европе и вызвал у многих желание повторить его. К сожалению, не все были так осторожны и удачливы, как Далибар. Год спустя во время экспериментов с молнией и проводниками от удара током погиб российский ученый Георг Вильгельм Рихтер. Его трагическая гибель запечатлена в возвышенной поэме Эразма Дарвина (деда более известного Чарльза Дарвина):

…И в изумленье наблюдая

Серебряные струи, сапфировое пламя;

Как вдруг, взорвавши сталь, электрическое жало

Сразило мудреца, и смерть его настала!

В Мемориале Франклина в Филадельфии высечено мудрое изречение этого политического деятеля и ученого: «Если вы не хотите, чтобы о вас забыли сразу после смерти, напишите что-нибудь достойное прочтения или сделайте что-нибудь, о чем будут писать». Сам Франклин сделал и то и другое. Одним из его не теряющих ценности изобретений является молниеотвод. Зная, что молния – это разновидность электрического разряда и что она бьет в самые высокие точки, он рекомендовал устанавливать на «самых высоких частях зданий вертикальные железные стержни, заостренные, как иглы, и позолоченные, чтобы не ржавели, и пропускать снаружи здания проволоку от нижнего конца этих стержней до земли». Такие заостренные стержни, по его разумению, должны безопасно отводить электрический разряд в землю, предотвращая повреждение здания, или, как он более возвышенно выразился, «защищать нас от самой неожиданной и ужасной беды!».

Поначалу идея Франклина получала поддержку не везде. Одни говорили, что молниеотвод будет притягивать молнии к зданию и повышать опасность. Другие считали, что это бесцеремонное вмешательство в волю Божию. Во времена Франклина многие видели в молнии наказание Божие за грехи. Франклин утверждал, что в молнии «не больше сверхъестественного, чем в дожде, граде или солнечном свете, от которых мы защищаемся с помощью крыш и навесов без всяких сомнений». Его аргументы и явная ценность изобретения вскоре привели к тому, что молниеотводы появились на большинстве пороховых погребов и даже на соборах.

В Англии, однако, все было не так просто. Там развернулся ожесточенный спор между теми, кто соглашался с идеей заостренного стержня на конце молниеотвода, и теми, кто считал более предпочтительным круглый набалдашник на том основании, что заостренный наконечник чересчур эффективно притягивает молнии. Автором второй идеи был Бенджамин Уилсон. Он развернул активную кампанию против Франклина и приобрел влиятельных друзей. Спор достиг критической точки в 1777 г., когда в пороховой погреб Артиллерийского управления в Пурфлите на Темзе ударила молния и выбила несколько кирпичей. Заостренные стержни, установленные там в соответствии с рекомендацией Франклина и его коллег, не защитили здание. Уилсон воспользовался этим событием и устроил феерическое зрелище, призванное доказать опасность высоких шпилей и предпочтительность низких тупых набалдашников. Демонстрация проходила в присутствии короля Георга III и многих министров, на которых аргументы Уилсона произвели сильное впечатление. К тому же все это происходило во время войны за независимость в Америке, которая придавала вопросу политическую окраску. То, что начиналось как научное разногласие, быстро превратилось в непримиримую вражду между сторонниками британских тупых набалдашников и американских остроконечных стержней. Уилсон играл на этом и заявлял, что патриотический долг британцев – отказаться от изобретения врага. Сторонники Франклина отвечали не менее язвительными политическими нападками. В спор вмешалось Королевское научное общество, которое после серии экспериментов пришло к заключению, что прав Франклин. Король Георг, однако, принял сторону Уилсона, приказал снять заостренные стержни со всех королевских дворцов и зданий Артиллерийского управления и потребовал от Королевского научного общества изменить заключение. Джон Прингл, президент Королевского научного общества, отказался подчиниться, заявив, что «долг и ответственность всегда побуждают меня прилагать все силы для исполнения королевской воли; но “сир… я не в состоянии изменить законы природы”». Король в ответ предложил ему уйти в отставку. Вскоре после этого один из сторонников Франклина написал следующую эпиграмму:

Пока король Георг, довольный сам собою,

Все острое вокруг меняет на тупое,

В стране единства нет:

Франклина курс верней,

Тем лучше молниезащита,

Чем проводник острей.

Нельзя было назвать гладким процесс внедрения молниеотводов и во Франции. Месье де Виссери из Арраса было приказано снять молниеотвод, который он установил на трубе своего дома. Он обжаловал это решение. К тому времени, когда дело дошло до суда последней инстанции в 1783 г., через три года после начала спора, оно стало темой для разговоров в Париже и приобрело политическое значение. Никому не известный адвокат Максимилиан Робеспьер сделал себе имя, встав на защиту науки от предрассудков и выиграв это дело. Он исходил из того, что если теория требует экспертов для ее интерпретации, то факты нет. Десять лет спустя Национальный конвент, возглавляемый Робеспьером, использовал аналогичную аргументацию, чтобы избавиться от правительственных экспертов и всех национальных академий и литературных обществ. Робеспьер известен как инициатор «большого террора», в период которого были казнены многие французские аристократы. Не исключено, что без успеха в защите месье де Виссери и его молниеотвода Робеспьер так и не попал бы в Париж и история Франции пошла бы по иному пути.

В наши дни практически на всех высоких зданиях можно увидеть молниеотводы того типа, который предлагал Франклин. Они отводят электрический ток в землю и обеспечивают надежную защиту. На крупных сооружениях устанавливают несколько молниеотводов. На соборе святого Павла в Лондоне, например, они размещены с равными интервалами по всему периметру крыши. И это не прихоть: в небоскреб Empire State Building в Нью-Йорке регулярно попадают молнии, наглядно доказывая ошибочность расхожего представления о том, что молния никогда не попадает в одно и то же место.

Франклин говорил, что во время грозы неразумно прятаться под одиноко стоящим деревом, поскольку оно может притянуть к себе молнию. Он также указывал на то, что мокрая одежда имеет низкое сопротивление и позволяет электрическому току уйти в землю по поверхности тела, а не через него. Именно поэтому, отмечал он, «мокрую крысу нельзя убить разрядом из лейденской банки, а сухую можно». Это соображение позволяет объяснить известный случай, когда один юноша остался невредимым после удара молнии. На нем в тот момент был плащ (дождевик), который намок от сильного дождя. Отец, видевший, что произошло, поспешил доставить сына в больницу, но мальчика через час отпустили, поскольку никаких вредных для здоровья последствий у него не нашли. Большинству людей везет намного меньше, и количество погибших и пострадавших от ударов молнии исчисляется сотнями каждый год.

Гром среди ясного неба

Молния зарождается в дождевых облаках, тех кучевых облаках в форме наковальни с вздымающимися краями и плоской нижней частью, которые образуются при подъеме теплого влажного воздуха на такую высоту, где достаточно холодно, чтобы вода замерзла. В таких грозовых облаках частицы льда и капли воды непрерывно соударяются под действием завихрений воздуха. Крошечные кристаллы льда при этом приобретают положительный заряд и поднимаются к верхней части облака, а более массивные частицы льда и снега величиной с небольшие градины заряжаются отрицательно и опускаются вниз. В результате происходит разделение зарядов, и верхние слои облака приобретают положительный заряд, а нижние – отрицательный. Разность потенциалов между отрицательными нижними слоями облака и землей может достигать 100 млн вольт. В некоторых точках разность потенциалов настолько велика, что происходит пробой воздуха, и между облаком и землей возникает электрическая дуга, которую мы называем молнией[6]. Она длится всего лишь доли секунды. Изредка молния рождается в верхней части облака. Такая «положительная молния» очень опасна, поскольку может ударить в землю за много километров от места рождения, где нет облаков и ярко светит солнце. Она становится полной неожиданностью – воистину громом среди ясного неба.

Молния распространяется очень быстро – со скоростью до 60 000 м/с, а ее температура достигает 30 000 °С, что в пять раз выше температуры поверхности Солнца. Она имеет среднюю длину порядка 4 км и диаметр всего 1 см. Каждая молния фактически представляет собой несколько разрядов, которые происходят слишком быстро, чтобы наш их глаз различал их. По этой причине молния кажется мерцающей. В результате удара молнии высвобождается энергия, равная энергии детонации тонны тринитротолуола, а интенсивный нагрев порождает взрывообразное расширение воздуха. Когда расширяющийся воздух преодолевает звуковой барьер, мы слышим раскаты грома. Хотя гром и молния возникают одновременно, мы слышим раскаты с запозданием в зависимости от расстояния из-за того, что свет распространяется намного быстрее звука – 300 000 км/с по сравнению с 0,3 км/с.

Поражение молнией

Если вам не повезло и в вас попала молния, то часть электрического тока пройдет по поверхности, а часть – через тело в пропорции, определяемой сопротивлением. Прохождение тока по поверхности менее опасно, и люди, которые остались в живых после удара молнии, скорее всего, испытали «поверхностный разряд». Если вы намокли под дождем, то вода может превратиться в пар, способный сорвать одежду и обжечь кожу. Ток, проходящий через тело, может вызвать серьезные внутренние повреждения. У многих поражение молнией вызывает остановку сердца. В таких случаях необходимо немедленно начать непрямой массаж сердца и искусственное дыхание во избежание повреждения головного мозга (после поражения молнией люди теряют заряд, и прикасаться к ним не опасно). Если у пострадавшего поражен дыхательный центр в мозге, то он перестает дышать. Бывали случаи, когда люди не могли дышать самостоятельно до 20 минут после удара молнии, хотя их сердечная деятельность восстанавливалась. Это говорит о том, что очень важно продолжать искусственную вентиляцию легких пострадавшего, который внешне кажется мертвым. Очень часто при поражении молнией наблюдается неврологическая симптоматика, например потеря сознания, потеря ориентации, потеря памяти и частичный паралич, особенно нижних конечностей. В числе других последствий можно назвать потерю слуха, потерю зрения, расстройство сна и сильные ожоги. Электрический ток также вызывает сокращение мышц. Именно поэтому люди подпрыгивают или отлетают от стены при ударе. Поскольку все мышцы сокращаются одновременно, они подбрасывают человека в воздух.

Повелитель танцующих лягушек

Удивительные эффекты электрического разряда, наблюдаемые при работе электростатических генераторов и ударе молнии, заставили многих экспериментаторов XVIII в. задуматься над его физиологическими последствиями. В их числе был и выдающийся итальянский ученый Луиджи Гальвани, первым открывший «животное электричество». Хотя Гальвани первоначально намеревался принять духовный сан, родителям удалось убедить его заняться медициной, и к 1762 г. он получил звание профессора анатомии в своем родном городе Болонье. Как и многих других ученых того времени, Гальвани интересовало статическое электричество, и в 1780 г. он начал исследовать его воздействие на мышечную ткань. В устроенной прямо дома лаборатории ему помогала небольшая исследовательская группа в составе его жены Лучи и двух племянников, Камилло и Альдини.

В своем дневнике Гальвани сделал 26 января 1781 г. запись о том, что, когда его ассистент прикоснулся металлическим инструментом к нерву лапки недавно умерщвленной лягушки, все мышцы лапки резко сократились. Это, однако, происходило только в момент проскакивания искры, генерируемой электрической машиной. Гальвани повторял эксперимент много раз и при разных условиях и неизменно получал один и тот же результат. Как следствие он выдвинул гипотезу, что именно электрическая искра заставляет мышцы сокращаться. Это заставило Гальвани задаться вопросом: сможет ли и молния вызвать сокращение мышц лягушки? Для проверки он с помощью своего племянника Камилло присоединил к нерву лягушачьей лапки длинную проволоку, которая была связана с металлическим стержнем на крыше его дома. Как и ожидалось, лапка лягушки резко дернулась, когда во время грозы над домом сверкнула молния.

На гравюре 1 из «Трактата о силах электричества при мышечном движении» Гальвани показаны несколько препарированных лягушачьих лапок. На столе слева расположен электростатический генератор, а справа – лейденская банка. Небольшие изображения кисти руки с кружевной манжетой, указывающие на инструменты, которые смахивают на атрибуты из фильма о Монти Пайтоне[7], – обычный прием указания на что-либо в эпоху Возрождения.

Как очень методичный исследователь, Гальвани повторил эксперимент для контроля в тихий день. На этот раз он подвесил лягушачьи лапки к чугунной ограде своего балкона с помощью медных крючков, пронизывавших спинной мозг. Поначалу ничего не происходило. Потеряв терпение, Гальвани стал дотрагиваться до лапок. К его удивлению, они начали часто и самопроизвольно подергиваться, при этом сокращения не зависели от изменения погоды, а происходили, когда крючки прижимали к ограде.

Гальвани воспринял такой результат как свидетельство того, что клетки живого существа не только возбуждаются электричеством, но и сами могут генерировать его. Он предположил, что именно электрическое (само) возбуждение приводит к сокращению мышц. В 1791 г. Гальвани написал о своем открытии в «Трактате о силах электричества при мышечном движении», где утверждал, что животное электричество отличается по своему характеру от электричества, возникающего при ударе молнии или вырабатываемого электростатическим генератором, и настаивал на том, что «электричество присуще самому животному». Гальвани отпечатал несколько экземпляров трактата за свой счет и разослал их коллегам, в том числе своему другу и земляку Алессандро Вольта, профессору физики в университете Павии.

В первый момент коллеги приняли идеи Гальвани прохладно, однако, повторив его эксперименты, они получили те же результаты. Кончилось все тем, что живые лягушки стали дефицитом, и год спустя после публикации работы Гальвани Эузебио Валли жаловался своему коллеге: «Мне нужны лягушки. Вы должны найти их. Если вы не найдете их, я никогда не прощу вам этого. Обращайтесь ко мне без церемоний, ваш покорный слуга, Валли».

Эксперименты заставили Вольта, который поначалу согласился с выводами Гальвани, пересмотреть взгляды. Он стал настаивать на том, что причиной подергивания мышц, наблюдаемого Гальвани в отсутствие внешнего стимулирования электрическим током, было не внутренне животное электричество. По его умозаключению (и оно было правильным), подергивания вызывал электрический ток, который возникал при соприкосновении двух разных металлов – чугунной ограды балкона и медных крючков, связанных с нервом лягушачьей лапки. Это вызвало жаркий спор между двумя учеными о том, какой была причина возбуждения мышц – биологической или физической.

Хотя Гальвани и признал возражение Вольта, оно не разубедило его в существовании животного электричества. Он неопровержимо доказал, что даже контакта нерва с мышцей достаточно, чтобы вызвать сокращение – никакого металла для этого не требовалось. Сейчас мы знаем, что эксперимент давал такой результат, поскольку поврежденная ткань генерирует электрический ток, достаточный для сокращения мышцы. Гальвани не подозревал об этом. К сожалению, он опубликовал результаты эксперимента анонимно, и это в определенной мере снизило убедительность его аргумента.

Энергия для людей

Тот факт, что контакта нерва и мышцы было достаточно для инициирования сокращения, означал триумф гальванизма и поражение Вольта. Однако тот не сдался и продолжил развивать идею о том, что все дело в контакте разнородных металлов. В уверенности, что у электричества было неживотное происхождение, он решил полностью отказаться от лягушек. Вольта составил столб из чередующихся серебряных и цинковых дисков, разделенных намоченными в соленой воде картонными прокладками, и доказал, что при замыкании цепи, соединяющей верх и низ столба, в ней начинает течь электрический ток. Это была первая электрическая батарея. На деле его ударило током, когда он прикоснулся одной рукой к вершине столба, а другой – к его нижней части. Вольта также обратил внимание на удивительное сходство его изобретения с электрическими органами электрических угрей и скатов, рыб, способность которых поражать людей током была хорошо известна. Их электрические органы состояли из рядов клеток, разделенных электропроводной жидкостью, аналогично столбу Вольта из серебряных и цинковых дисков.

Удар тока от первой батареи Вольта был слабее, чем удар тока при разряде лейденской банки, однако батарея обладала одним исключительным достоинством: ток постоянно генерировался в ней самой, и ее не нужно было предварительно заряжать от электростатического генератора. Более сильный ток, а значит, и более сильный удар, можно было получить, увеличивая высоту столба дисков. Вольта описал свое изобретение в письме Королевскому обществу в Лондоне в 1800 г., озаглавленном «Об электричестве, возбуждаемом простым соприкосновением различных проводящих веществ». Письмо, написанное по-французски итальянским ученым и направленное в английское научное общество, наглядно показывает, что уже в 1800 г. наука была международной деятельностью. Позднее Вольта преподнес Королевской ассоциации в Лондоне в дар один из своих «вольтовых столбов», который по сей день хранится там.

Схватка титанов

Разногласия между Гальвани и Вольта в вопросе интерпретации экспериментов с лягушками иногда изображают как непримиримую научную схватку, которую Гальвани проиграл, а изобретение батареи представляют как триумф Вольта и победу физики над биологией. Однако говорить, что Гальвани был совершенно неправ, нельзя, поскольку идея генерирования живыми организмами электрических сигналов в нервах и волокнах мышечной ткани оказалась правильной. Как ни печально, но из-за того, что идеи Вольта взяли верх, развитие науки о животном электричестве остановилось на некоторое время.

Хотя этот вопрос расколол научное сообщество и последователи одной и второй идеи всерьез бились друг с другом, спор между самими Вольта и Гальвани не был ожесточенным. Вольта писал, что работа Гальвани содержит «одни из самых прекрасных и удивительных открытий» и что именно с его именем связан термин «гальванизм». Вольта даже информировал Королевское общество в Лондоне о работах Гальвани, представив «отчет о некоторых открытиях, осуществленных г-ном Гальвани из Болоньи; с экспериментами и их описанием». Любопытно, что в первом предложении он обозначает тему своего письма как описание открытий и исследований по «животному электричеству», хотя далее следует вывод, что оно не существует.

Идеи Гальвани отошли на задний план, возможно, отчасти из-за того, что он продвигал их не так активно, как его соперник. Гальвани по характеру был скромным человеком. Он опубликовал свою работу только в 1791 г., по меньшей мере десятилетие спустя после начала экспериментов, и сделал это (на латыни) в трудах Болонского научного института, которые не имели широкой известности. Дело осложнялось и тем, что Гальвани не любил дальних поездок, был плохим партнером по переписке, не публиковал никакой информации о некоторых экспериментах и вообще сообщал о своих открытиях только ближайшему окружению. Негативно сказывались на работе Гальвани и политические проблемы. В 1794 г. Болонью завоевал Наполеон, и через два года Гальвани пришлось оставить профессорскую должность, поскольку требование университета присягнуть Французской цизальпинской республике противоречило его политическим и религиозным принципам. Он укрылся в доме своего брата Джакомо и находился в отчаянии. Друзья добились для него освобождения от присяги ввиду значительности его научных достижений, но Гальвани скончался, так и не успев воспользоваться им. Ему шел всего 61 год.

Вольта обладал совершенно другим характером и вел иной образ жизни. Он был харизматичным и динамичным оратором и плодовитым (порою самонадеянным) автором, который публиковался на нескольких языках, широко распространял свои работы и с готовность принял новый режим. Вольта приобрел очень широкую известность, и его с почестями принимали по всей Европе. В 1801 г. он получил приглашение в Париж, где был удостоен золотой медали и прочитал три лекции с демонстрацией опытов. На всех трех лекциях присутствовал Наполеон. Вольта получил много других призов и знаков отличия, в 1805 г. Наполеон вручил ему орден Почетного легиона, а впоследствии он стал итальянским сенатором и графом. В его честь единица электрического потенциала была названа вольтом. Намного более дальновидный политически, чем Гальвани, Вольта продолжал пользоваться успехом даже после падения Наполеона и перемещения центра власти в Австрию.

«Безумные» ученые

Эксперименты Гальвани вызвали ажиотаж. По всей Европе ученые и просто любители пытались воспроизвести его эксперименты не только на препарированных лягушках, но и на других мертвых живых существах. Джованни Альдини, племянник Гальвани, представлял эффекты электричества вниманию публики особенно неординарным способом. Жутковатые публичные демонстрации экспериментов этого ученого и одновременно организатора представлений, возможно, были навеяны романом Мэри Шелли «Франкенштейн». Воздействия электрическим разрядом на лягушачьи лапки показалось Альдини мало, и он стал использовать тела недавно казненных преступников. Как ни парадоксально с учетом его яростного неприятия идей Вольта, ему все же приходилось применять вольтов столб для генерирования электричества.

В записях Альдини отмечено, что в 1802 г. «первые обезглавленные преступники были доставлены в помещение неподалеку от места казни. Сначала голова подвергалась воздействию тока от столба из сотни серебряных и цинковых пластин. Металлическая проволока вводилась в ухо, увлажненное соленой водой. Другой конец проволоки присоединялся к верхней либо к нижней части вольтова столба. Сначала наблюдались сильные сокращения всех мышц лица, которое искажалось непредсказуемым образом, изображая самые ужасные гримасы. Особенно поражали движения век, хотя на человеческой голове они были не такими четко выраженными, как на голове быка».

Иллюстрация из тракта Альдини о его экспериментах на обезглавленных телах преступников под названием «Теоретическое и экспериментальное эссе о гальванизме». Высокий, похожий на карандаш предмет – это вольтов столб (примитивная батарея), который использовался для получения электрического тока. Ток подавался к трупу через изогнутый металлический стержень, присоединенный к неэлектропроводной стеклянной рукоятке. За нее держался экспериментатор, чтобы не получить удар током.

Самая известная демонстрация опытов состоялась в Лондоне 17 января 1803 г., когда Альдини провел эксперимент на трупе убийцы Томаса Фостера. Сразу после казни (через повешение) тело преступника привезли в Королевский хирургический колледж, где уже собралась большая аудитория. Альдини взял два электропроводных стержня, соединенных с концами вольтова столба, и приложил один ко рту трупа, а другой – к уху, после чего «челюсть начала подергиваться, лицо скорчилось в ужасной гримасе, а левый глаз открылся». Когда стержни прикладывали к рассеченным мышцам большого пальца, «кисть руки сжималась в кулак». В другом эксперименте электрический ток вызывал резкие сокращения всех мышц руки. Но самое удивительное произошло, когда стержни ввели в ухо и в прямую кишку. Это «привело к такому сильному сокращению мышц… что создавалось впечатление оживления организма».

Однако Альдини был не первым, кто начал проводить опыты на трупах людей. Еще в 1798 г. Ксавье Биша экспериментировал с телами гильотинированных во времена Французской революции спустя 40 минут после казни. Недостатка объектов исследования у него не было. Его эксперименты показали, что сокращения сердца можно восстановить электрическим разрядом при непосредственном контакте, и вызвали жутковатое восхищение как в науке, так и литературе.

Не менее фантастические эксперименты проводились в 1818 г. доктором Эндрю Юром, который наэлектризовывал аудиторию так же эффектно, как и труп. В своей книге «Словарь химии и минералогии» он пишет, что в анатомический театр Университета Глазго привезли труп чрезвычайно мускулистого молодого человека через 10 минут после казни. На теле сделали разрезы для подсоединения батареи через электропроводные стержни прямо к нервам. Прикладывание одного стержня к спинному мозгу, а другого к седалищному нерву вызывало сильные судороги всего тела. А «при прикладывании второго стержня к пятке нога, которая была согнута, распрямилась с такой силой, что чуть не опрокинула одного из ассистентов, пытавшегося помешать разгибанию». В следующем эксперименте стержень приложили к диафрагмальному нерву на шее. Результат оказался «поистине удивительным. В то же мгновение тело начало тяжело дышать. Грудь поднималась и опускалась; живот надувался и опадал в такт движению диафрагмы». Прикосновение стержнем к надглазничному нерву вызывало появлению самых невероятных гримас – «гнева, ужаса, отчаяния, мучения и страдальческой ухмылки на лице убийцы». Некоторые зрители поспешили покинуть зал, чтобы их не стошнило, а одному человеку стало дурно. Но самой ужасной была картина электростимуляции локтевого нерва, в результате которой стали шевелиться пальцы, «двигавшиеся так быстро, как пальцы скрипача», а в какой-то момент рука вздрогнула и, казалось, ткнула указательным пальцем в сторону зрителей. Некоторые решили, что труп ожил.

Такие представления не могли не привести к распространению мнения о том, что все врачи являются шарлатанами. Неудивительно, что лорд Байрон писал:

Каких только чудес не видим мы сейчас:

Вакцина против оспы, трактор, гальванизм и газ.

Они подогревают толпы ажиотаж,

Покуда не растает он как дым или мираж.

Богохульный характер, придаваемый экспериментам «возможностью воскрешения» мертвых, также не остался незамеченным. Вкупе с франкенштейновским монстром они рождали представление об ученых как о «безумных» и «порочных» людях. Этот образ не покидает средства массовой информации даже сегодня.

Современные научные знания позволяют очень легко объяснить результаты экспериментов Гальвани и его коллег. Клетки организма не умирают в тот же момент, когда животное (или человек) делает последний вздох. Именно поэтому возможна пересадка органов одного человека другому, а переливание крови дает результат. Если многоклеточный организм не разорван на мелкие клочья, его смерть редко наступает мгновенно. Это постепенный процесс – многоэтапное угасание. Клетки нервной и мышечной ткани остаются живыми еще некоторое время после смерти человека, и их можно «анимировать» с помощью электричества. Электрический разряд, который возбуждает наши нервные волокна и заставляет управляемые ими мышцы сокращаться, точно так же действует и на нервы трупа. На деле эксперименты Юра и Альдини дают ясное представление о том, какими мышцами управляет тот или иной нерв. Понятно, что реакция будет тем вероятнее, чем меньше времени пройдет с момента смерти.

Эпоха чудес

К концу XVIII в. люди уже умели генерировать электричество, аккумулировать его и передавать по проводам на значительные расстояния. Его удивительные свойства интриговали ученых и стимулировали исследования. Культура эпохи Просвещения с присущим ей стремлением к популяризации научных достижений требовала организации зрелищных представлений, которые пробуждали интерес в более широком сообществе. Публичные лекции директора Королевского института в Лондоне Майкла Фарадея были настолько популярными среди аристократии, что на Албемарл-стрит возникала пробка, когда экипажи развозили слушателей. Это заставило власти сделать ее первой улицей в городе с односторонним движением.

Широко пропагандировалось использование электричества для лечения всех видов недугов, как отмечено в главе 12. Молниеотводы и первые электрические батареи представляли другие направления практического применения электричества и возвещали начало новой эры электричества. Однако возможности, открываемые электричеством, производили впечатление не на всех. Лабораторию Фарадея однажды посетил Уильям Гладстон, канцлер казначейства в то время. Он молча посмотрел на сложные электрические устройства ученого и сказал: «Все это очень любопытно, мистер Фарадей, однако имеют ли они практическое значение?» Фарадей за словом в карман не полез, он ответил: «Сэр, я не знаю, для чего именно будут использоваться эти машины, но уверен, что когда-нибудь вы станете облагать их налогом».

Помимо этого признание получила возможность стимулирования нервных и мышечных волокон электрическим разрядом. Хотя идею Гальвани о животном электричестве и поставили под сомнение, она не лишилась сторонников, поскольку с глубокой древности люди знали, что некоторые рыбы способны поражать добычу и врагов электрическим разрядом. К тому же в 1797 г. молодой ученый и исследователь Александр фон Гумбольдт установил, что правильны представления и Гальвани, и Вольта, и предположил, что сокращение мышечной ткани должно вызываться электрическим разрядом от управляющего ею нерва. В этом свете до идеи о том, что с помощью гальванизма можно оживить какое-нибудь мертвое существо наподобие франкенштейновского монстра, был всего лишь один шаг. Возможность регистрировать токи, связанные с нервной и мышечной деятельностью, и понять механизмы этой деятельности, появилась, однако, только с созданием соответствующей измерительной аппаратуры и с получением более глубоких представлений о природе самого электричества.

Глава 2

Молекулярные поры

Американский скакун

По кличке Импрессив,

Свинья, которую трясет лихорадка,

Стадо коз в Техасе, и кто-то

Из вас в первом ряду

Со своими пороками

Вздрогнут,

Почувствуют трепет в ионных каналах,

Увидев, как я падаю в бездну.

Джо Шапкотт. Рассуждения

Во время устного экзамена в Оксфордском университете примерно в 1890 г. студента спросили, может ли он объяснить феномен электричества. Тот, запнувшись, ответил, что знал это, но забыл. «Какая жалость! – заметил экзаменатор. – Доселе всего лишь двое знали, что такое электричество: Создатель и вы. А теперь остался один».

Сегодня все мы хорошо знакомы с электричеством, поскольку именно оно обеспечивает энергией наше индустриальное общество. Почти все, что мы используем, – транспорт, осветительная и коммуникационная аппаратура, в том числе и компьютер, на котором я набираю эти строки, приводится в действие электричеством. Намного менее известен тот факт, что мы тоже являемся своего рода электрическими машинами и что электрический ток лежит в основе самой жизни. Этот ток, в свою очередь, возникает в процессе функционирования ионных каналов. Чтобы понять, как связаны эксперименты Гальвани с лягушачьими лапками с нашей способностью лечить расстройства электрической активности организма вроде эпилепсии или неонатального диабета, которым страдает Джеймс, нужно выяснить, что такое ионные каналы и какова их роль в электрических процессах в клетках.

Более полутора столетий после Гальвани ученые искали методы измерения электрических импульсов нашей нервной системы и пытались понять, что они означают. Еще больше времени потребовалось для обнаружения ионных каналов, которые отвечают за электрическую активность, однако их открытие перевернуло наши представления. Идеи, которые я пыталась постичь в студенческие годы и которые не раз были причиной бессонных ночей (особенно накануне экзаменов), вдруг обрели предельную ясность. В этой главе мы перенесемся в сегодняшний день и познакомимся с современными представлениями о работе ионных каналов. Сначала, однако, полезно дать определение электричеству и понять, чем электричество в наших головах отличается от электричества в розетке.

Святая троица

Электричество представляет собой форму энергии, связанную с электрическим зарядом – одним из фундаментальных свойств внутриатомной материи. Электрический ток, который течет по проводам в наших домах – и по нашим нервным волокнам, – описывается количественно с помощью трех базовых единиц: ампера (А), вольта (V) и ома (Ω). Они названы так в честь трех выдающихся европейских физиков XVIII в.: француза Андре Мари Ампера, итальянца Алессандро Вольта и немца Георга Ома. Ток измеряют в амперах, сопротивление току – в омах, а напряжение, силу, которая вызывает электрический ток, – в вольтах.

Законы течения электричества через проводник нередко объясняют с помощью аналогии – законов течения воды в трубе. Ток зависит от интенсивности движения потока заряженных частиц, при этом одному амперу соответствует прохождение примерно шести квинтиллионов (6 × 1018) частиц в секунду.

Сопротивление – это мера легкости или затрудненности потока. Сужение в трубе ограничивает поток воды, а увеличение диаметра трубы приводит к усилению ее потока. В электрической цепи материалы, которые обладают низким сопротивлением току, например металлы, называют проводниками, а материалы, препятствующие течению электричества, например бумагу или воздух, называют изоляторами. Прикоснитесь к оголенному проводнику электрической изгороди – и вы получите неприятный удар током, а прикосновение к изолированной ручке на калитке в этой изгороди ничем вам не грозит.

Напряжение между двумя точками эквивалентно перепаду давления, которое заставляет воду течь из одного места в другое. По существу это сила, которая создает электрический ток. Его также называют разностью электрических потенциалов (или просто потенциалов). Если две точки не соединены друг с другом, то вода не будет течь между ними. Аналогичным образом электрический ток течет только тогда, когда цепь замкнута. Именно поэтому между грозовой тучей и землей может возникать огромное напряжение, но ток не будет течь до тех пор, пока молния не пробьет разделяющий их слой воздуха. Это также объясняет, почему электроны не движутся по проводнику, пока электрическая цепь не замкнута, иными словами, почему ваша настольная лампа не горит до тех пор, пока вы не нажмете на выключатель, связывающий провода. Точно так же, как повышение давления усиливает течение воды, повышение напряжения увеличивает ток. При повышении подаваемого на лампу напряжения, например, лампа светит ярче.

Земля имеет наименьший потенциал, поэтому ток, как и вода, которая течет в сторону более низкой точки, всегда течет в направлении земли[8]. Люди обнаружили это давно. В 1785 г. Жозеф-Эньян де Лафон был озадачен, обнаружив, что в опыте с сильно заряженной лейденской банкой и 60 взявшимися за руки людьми удар электрического тока ощущали всего лишь шесть человек в начале цепочки. Почему ток останавливался на шестом человеке, было загадкой. Возможно, его организм обладал особыми качествами. Возникла гипотеза, что молодой человек, стоявший шестым в цепочке, был наделен «не всем, что полагалось мужчине», иными словами, он обладал не всеми естественными атрибутами. По Парижу быстро разнесся слух о том, что евнухи не проводят ток.

Герцог Шартрский, обладавший научным складом ума, потребовал доказательств. Для проверки предположения был проведен эксперимент на трех королевских вокалистах с понятными опасениями как со стороны испытуемых, так и тех, кто обладал всеми мужскими достоинствами. К всеобщему удивлению, все три кастрата в полной мере ощутили удар током. Загадка разрешилась лишь после многократного повторения эксперимента, когда заметили, что люди, дальше которых электрический разряд не распространялся, стояли на влажной почве. Поскольку сырая земля лучше проводит электричество, чем человеческое тело, ток уходит в землю[9]. Именно по этой причине вы получаете удар током при случайном прикосновении к оголенному проводу: земля имеет более низкий потенциал, чем провод в вашей руке, и ток течет через ваше тело в землю.

Амперы, вольты и омы неразрывно связаны друг с другом. Эту связь открыл Георг Ом, он сформулировал известный закон, который гласит, что ток (I) равен напряжению (V), деленному на сопротивление (R), или, если записать это в виде формулы: I = V/R. Иначе говоря, если сопротивление остается неизменным, то повышение напряжения приводит к увеличению силы тока. Аналогичным образом если сопротивление падает, а напряжение остается неизменным, то сила тока возрастает. И так далее. Эта простая формула, которая выражает закон Ома, является ключом к пониманию того, как работают нервы – и электричество[10].

Разные, как два полюса

Впрочем, между электричеством, обеспечивающим энергией наш организм, и электричеством, которое освещает наши города, есть фундаментальное различие. Электричество, подаваемое в наши дома, представляет собой поток электронов. Эти неделимые элементарные частицы имеют отрицательный заряд, и, поскольку противоположные заряды притягиваются друг к другу (а одноименные заряды отталкиваются), электроны всегда текут из области с отрицательным зарядом к области с положительным зарядом. Несколько сбивает с толку то, что за направление тока принимают направление потока положительных зарядов, т. е. мы считаем, что ток в проводе движется в направлении, противоположном тому, в котором текут электроны![11]

В отличие от этого практически все токи в живых существах представляют собой потоки ионов – атомов, имеющих электрический заряд. Токи в нашем организме обусловлены движением пяти основных видов заряженных частиц. Четыре из них имеют положительный заряд – натрий, калий, кальций и водород (протон), а один, хлор (хлорид-анион), – отрицательный заряд. В силу того, что ионы несут электрический заряд, их движение создает электрический ток. В случае положительных ионов ток течет в том же направлении, что и поток ионов, а в случае отрицательных ионов (как и электронов) – в противоположном направлении.

Стоит также отметить, что ток в электрической цепи течет вдоль проводника. В отличие от этого ионные токи, обеспечивающие передачу нервных импульсов, текут через клеточные мембраны внутрь клеток и из них. Таким образом, хотя электрические импульсы распространяются вдоль нервных и мышечных волокон, ионные токи, которые генерируют их, проходят под прямым углом к направлению распространения импульса.

Еще одно различие электрических сигналов в наших головах и в сети электроснабжения домов заключается в скорости их распространения. Электрический сигнал в проводах распространяется почти со скоростью света, составляющей 300 000 км/с. Именно поэтому свет загорается сразу же после щелчка выключателя, а телефоны и Интернет обеспечивают практически мгновенную связь по всему земному шару. Нервные импульсы по сравнению с этим ужасно медленные, самые быстрые из них распространяются со скоростью всего 0,12 км/с (120 м/с). Даже самый сообразительный из нас не может думать со скоростью света.

Помимо того, что генерируемые нами электрические импульсы медленные, они еще и очень слабые. Если электрическому чайнику для работы нужен ток силой три ампера, то сила токов, заставляющих сокращаться сердце, составляет всего несколько миллионных долей ампера. Наконец, хотя энергия необходима в обоих случаях, ее источник – батарея, если хотите, – производит ток совершенно разными способами, как будет показано далее.

Эти различия между животным электричеством и электричеством, подаваемым в наши дома, сейчас довольно легко перечислить, однако на то, чтобы выявить их, потребовались многие годы. Хотя фундаментальные свойства электричества были известны уже в начале XIX в., мы лишь в последние 60 лет стали понимать происхождение биоэлектричества и всего 15 лет назад узнали, что представляют собой молекулярные структуры (ионные каналы), с которыми связана электрическая активность клеток нервной и мышечной ткани.

Кирпичики жизни

Наш организм – не более чем скопление клеток, миллионов и миллионов клеток, число которых так же велико, как и число звезд в галактике. Они очень разнообразны – клетки мышечной ткани, клетки мозга, крови и т. д., имеют разные формы и размеры, но все равно это один и тот же фундаментальный элемент организма. Роберт Гук открыл их в 1665 г., когда рассматривал небольшой кусочек пробки под микроскопом. Он назвал увиденное образование клетками, поскольку они ассоциировались у него с крошечными кельями, в которых жили монахи[12]. Чтобы лучше понять, на что они похожи, представьте себе пчелиные соты, сильно уменьшенные в размере.

Клетки изобилуют молекулами, которые вступают в сложные реакции, связанные с синтезом белков, воспроизводством ДНК и генерированием энергии. Однако для получения представления об электрических свойствах клеток нам достаточно рассмотреть процессы, происходящие на их поверхности, поскольку именно там возникает разность потенциалов и передаются нервные импульсы.

На этой схеме представлено строение клеточной мембраны. На ней видны два слоя липидных молекул и мембранные белки, в частности, ионные каналы и насосы. K+ – принятое в науке обозначение иона калия, Na+ – иона натрия.

Поверхность клетки представляет собой мембрану, которая окружает клеточное содержимое и служит границей с внешним миром наподобие стенки мыльного пузыря. Мембрана выстроена из жиров (научное название – липиды), а следовательно, она непроницаема для большинства водорастворимых веществ. Это следует из того простого факта, что жиры и вода не смешиваются. Любой, кто делал когда-либо заправку из уксуса и оливкового масла для салата, знает, что через некоторое время ингредиенты расслаиваются – внизу оказывается уксус, а наверху более легкое масло. Молекулы фосфолипидов, образующие клеточную мембрану, имеют притягивающие воду (гидрофильные) фосфатные головки и «любящие воду» (гидрофобные) липидные хвосты. Эти молекулы организуются и образуют двухслойную мембрану так, что их водоотталкивающие хвосты оказываются внутри между слоями фосфатных головок. Не думайте, однако, что мембранные липиды такие же твердые, как сливочное масло, – по консистенции они больше напоминают машинное масло, и белки, погруженные в них, плавают и должны каким-то образом крепиться к цитоскелету, чтобы занимать правильное положение.

Растворы внутри наших клеток и клеток всех других организмов на Земле богаты ионами калия и бедны ионами натрия. В отличие от этого кровь и другие внеклеточные жидкости, в которых находятся наши клетки, бедны ионами калия и богаты ионами натрия. За счет перепадов ионного состава генерируются электрические импульсы в наших нервных и мышечных клетках, поскольку они, как и перепад в уровнях воды перед плотиной и за ней, позволяют эффективно накапливать потенциальную энергию. Стоит открыться шлюзам, как тут же начинает высвобождаться энергия в результате перераспределения ионов, стремящихся к выравниванию концентраций с обеих сторон мембраны. Это движение ионов и порождает нервные и мышечные импульсы.

Трансмембранные градиенты концентрации натрия и калия (т. е. разница в их концентрациях внутри и вне клеток) поддерживаются крошечным молекулярным двигателем, так называемым натриевым насосом, пронизывающим клеточную мембрану. Этот белок выкачивает избыточные ионы натрия, которые просачиваются в клетку, и заменяет их на ионы калия. Если насос прекращает работать, то градиенты концентраций ионов постепенно снижаются, и когда они полностью исчезают, перестают генерироваться электрические импульсы точно так же, как разряженный аккумулятор перестает приводить в действие стартер вашего автомобиля. Как следствие, органы чувств, нервы, мышцы, в общем, все клетки организма просто впадают в ступор. Именно это происходит, когда мы умираем. Поскольку у нас больше нет энергии, чтобы питать натриевый насос и поддерживать перепад концентраций ионов на клеточных мембранах, наши клетки быстро прекращают функционировать. И хотя внешние разряды электричества способны создавать электрические импульсы в нервных и мышечных клетках, они не могут восстановить градиент концентрации ионов на клеточных мембранах после того, как насосы перестают работать. Вот почему нам не удается реанимировать мертвое тело с помощью электричества, и вот почему искра жизни отличается от электричества, подаваемого в наши дома.

Поддержание градиентов концентрации ионов требует больших затрат энергии, поскольку электричество не бывает дешевым, даже когда оно генерируется в наших организмах. Только представьте себе, что около трети вдыхаемого нами кислорода и половины потребляемой пищи идет на создание градиентов концентрации ионов на клеточных мембранах. Один лишь мозг использует около 10 % вдыхаемого кислорода для поддержания работы натриевого насоса и подзарядки аккумуляторов нервных клеток. Ничего не поделаешь – умственная деятельность очень энергоемка.

Замечательные физиологические жидкости

Почему наши клетки наполняются именно ионами калия, не совсем понятно. Проще всего предположить, что изначально клетки развивались в растворе с высоким содержанием калия. Если им ничто не мешает, липиды самопроизвольно образуют липосомы – крошечные наполненные жидкостью сферы, окруженные оболочкой из фосфолипидов. Не исключено, что такие липидные пленки представляли собой прототип мембран и липосомы, которые появлялись в результате их образования, были предшественниками настоящих клеток. Предположительно более трех с половиной миллиардов лет назад липосомы захватили самовоспроизводящиеся молекулы, такие как РНК или ДНК{5}, и превратились в первые клетки.

Жидкость внутри этих первых примитивных клеток неизбежно должна была иметь такой же состав, как и жидкость, которая их окружала. Таким образом, высокая внутренняя концентрация калия, характерная для всех клеток, – от простейших бактерий до самых сложных организмов – может отражать состав «первичного бульона». Загадка, однако, остается. Где находились эти древние воды, насыщенные калием? Одна из современных популярных теорий предполагает, что жизнь зародилась в «черных курильщиках» на дне океана – гидротермальных источниках, которые выбрасывают богатую минералами перегретую воду. С точки зрения физиолога, это маловероятно, поскольку в докембрийских морях, как и в нынешних, всегда было много натрия. Лично я придерживаюсь точки зрения Чарльза Дарвина, который считал, что жизнь зародилась миллиарды лет назад в «небольшом теплом пруду». Неглубокие заводи, где скапливались молекулы органических веществ и куда поступали ионы калия из окружающих горных или глинистых пород, вполне могли быть местом рождения первых клеток.

В какой-то момент очень далекого прошлого разрозненные клетки обнаружили, что совместная жизнь дает преимущества в естественном отборе, и в результате появились многоклеточные организмы. Поскольку внеклеточный раствор, в котором находятся наши клетки, богат натрием, есть вероятность, что первые многоклеточные организмы зародились в море, представляющем собою по большому счету раствор хлорида натрия (поваренной соли). Очень заманчиво думать, что внутриклеточные растворы и внеклеточные жидкости несут отпечаток нашей истории и говорят о том, где именно зародилась жизнь.

Пограничный контроль

Наличие клеточной мембраны дает множество преимуществ. Молекулы больше не рассеиваются случайным образом, а удерживаются внутри клетки и, что более важно, взаимодействуют друг с другом. Клетки могут становиться специализированными и выполнять разные функции, например образовывать мышечную ткань, печень и нервные волокна. Подобно крепостной стене средневекового города мембрана защищает клетку от токсинов в ближайшем окружении и ограничивает поступление и выделение различных веществ, поскольку липиды, из которых она выстроена, непроницаемы для большинства субстанций. В результате появляется необходимость в строго охраняемых воротах, которые впускают в клетку жизненно важные питательные вещества и выпускают из нее отходы жизнедеятельности.

Электрохимическая битва за калий

В состоянии покоя на мембране всех клеток существует разность потенциалов – внутренний потенциал обычно на 60–90 мВ более отрицателен, чем наружный. Потенциал покоя возникает в результате противоборства концентрационного и электрического градиентов на клеточной мембране, которые воздействуют на ионы калия.

В состоянии покоя многие калиевые каналы в клеточной мембране открыты. Поскольку концентрация ионов калия внутри клетки выше, чем снаружи, эти ионы уходят из клетки, понижая градиент концентрации, а в результате того, что ионы калия заряжены положительно, их исход приводит к потере положительного заряда. Иначе говоря, внутри клетки начинает накапливаться отрицательный заряд. В какой-то момент внутриклеточный отрицательный заряд начинает препятствовать выходу ионов калия. Он притягивает ионы калия и останавливает их утечку. Мембранный потенциал, при котором химическая сила, выталкивающая ионы калия из клетки, и электрическая сила, удерживающая ионы калия, уравновешиваются, называют равновесным потенциалом.

Если бы мембрана была проницаема только для ионов калия, то мембранный потенциал покоя в точности соответствовал бы калиевому равновесному потенциалу. Однако в реальном мире не все так просто, и в большинстве клеток имеются ионные каналы других типов, которые позволяют другим положительным ионам проникать внутрь и таким образом смещают потенциал покоя в положительную сторону.

Возникновение потенциала покоя приводит к тому, что клетка начинает действовать как крошечная батарея, в которой электрические заряды (в форме ионных градиентов) разделяются неэлектропроводной липидной мембраной. Накопленная в ней энергия используется для формирования электрических импульсов в нервных и мышечных волокнах.

Такими воротами являются высокоспециализированные транспортные белки. Их великое множество, однако самыми важными следует считать ионные каналы. Как заметил однажды Примо Леви[13], «все знают, что такое канал: он направляет поток воды между двумя непроницаемыми берегами от истока к устью». Каналами называют и другие направляющие поток структуры, включая и те, что пропускают потоки ионов через клеточную мембрану. По существу ионный канал – не более чем крошечная белковая пора. Она имеет центральное отверстие, через которое проходят ионы, и одни или несколько ворот, открывающихся и закрывающихся по мере необходимости для регулирования движения ионов. Когда ворота открыты, ионы, например натрия и калия, входят в клетку или выходят из нее со скоростью более миллиона ионов в секунду[14]. Когда ворота закрываются, поток ионов прекращается.

Самые большие ионные каналы – это просто гигантские отверстия, настолько крупные, что могут пропускать сразу множество ионов, через них могут проходить как отрицательно заряженные ионы (анионы), так и положительно заряженные ионы (катионы), а также довольно крупные молекулы. Каналы такого типа встречаются сравнительно редко, и нетрудно понять почему – если они откроются, то градиенты концентрации ионов, так заботливо создаваемые и поддерживаемые клеткой, сразу же исчезнут, и клетка погибнет. Если говорить откровенно, то некоторые бактериальные токсины убивают клетки именно таким образом. Большинство каналов, однако, избирательно пропускают ионы через свои поры. Хотя среди них есть такие, которые открывают ворота для любых катионов (или для любых анионов), большинство намного более селективны. Калиевый канал, например, позволяет проходить только ионам калия и не пропускает ионы натрия и кальция, а натриевый канал дает дорогу только ионам натрия, закрывая путь ионам калия или кальция. Как вы уже, наверное, поняли, обычно каналы называют по тем ионам, которые они пропускают.

Ионы выбирают путь наименьшего сопротивления и движутся в направлении градиента концентрации, т. е. из области высокой концентрации в область низкой концентрации. Снаружи клетки количество ионов натрия намного выше, чем внутри, поэтому ионы натрия текут внутрь клетки, когда ворота натриевых каналов открыты. В свою очередь ионы калия, поскольку внутри клетки их намного больше, чем снаружи, стремятся покинуть клетку, когда калиевые каналы открыты. В силу того, что ионы заряжены, их поток приводит к возникновению электрического тока. Именно эти токи, рождаемые движущимися через каналы ионами, лежат в основе нервных и мышечных импульсов и регулируют биение наших сердец, работу мышц и генерирование электрических сигналов в мозге, когда мы думаем. По существу это процесс преобразования энергии, запасенной в форме градиентов концентрации, в электрические импульсы в нервных и мышечных волокнах.

Пока не увидишь – не поверишь

Учитывая важность ионных каналов, может показаться странным, что об их существовании даже не подозревали до середины прошлого столетия, а еще в начале 1970-х гг. идея о том, что ионы проходят через мембрану сквозь специализированные белковые поры, была не более чем предположением. Для прямой демонстрации их существования нужно было измерить ток, который течет через отдельный канал, когда он открыт. Сделать это было непросто, поскольку такой ток чрезвычайно мал и для измерений требовалось высокоспециализированная электронная аппаратура. Чтобы понять, насколько ток, текущий через отдельно взятый ионный канал, ничтожен, представьте себе, что он составляет примерно триллионную часть того тока, который питает ваш электрочайник, – всего несколько пикоампер.

Слева: здесь показано, как при использовании метода локальной фиксации потенциала стеклянный электрод изолирует отдельный канал на участке клеточной мембраны и позволяет измерять ничтожные токи, которые текут через канал, когда он открыт. Справа: график тока в отдельном канале (сверху). Когда канал открывается (снизу), ток, создаваемый движущимися через него ионами, отображается как смещенная вниз линия. Канал, показанный ниже, закрывается, когда к нему присоединяется внутриклеточная АТФ, и открывается, когда АТФ отсоединяется.

Проблема была решена с помощью оригинальной методики, разработанной двумя немецкими учеными – Эрвином Неером и Бертом Закманом. За это достижение Неер и Закман были удостоены Нобелевской премии. Поистине инновационные направления в науке нередко возникают на стыке разных дисциплин, и сочетание талантов этих двух ученых служит прекрасным подтверждением данного тезиса. Неер был физиком, Закман – медиком, поэтому они подходили к проблеме с разных сторон. Их сотрудничество обеспечило широту взглядов, необходимую, чтобы понять, куда может привести предложенная ими технология, и достаточное внимание к деталям, которое требуется для отработки метода. Как выразился их коллега Дэвид Кохун, они являются «настоящими учеными» – скромными, непретенциозными, смелыми и вдохновленными.

Неер и Закман рассудили, что если ионные каналы реально существуют, то наверняка есть способ, позволяющий регистрировать текущие через них ничтожные токи, и взялись в начале 1970-х гг. за его поиск. Они решили использовать тончайшую наполненную жидкостью стеклянную трубку в качестве измерительного электрода. Кончик этой трубки должен был при осторожном прикосновении к поверхности клетки изолировать отдельный ионный канал на участке мембраны, попавшем под него. В случае успеха это позволило бы измерять токи, текущие через канал, когда он открывается. Метод назвали «локальная фиксация потенциала», поскольку он давал возможность регистрировать ток, текущий через крошечный участок клеточной мембраны.

Чтобы добиться успеха, Нееру и Закману понадобились годы. Дело в том, что им требовалась специальная аппаратура, способная усиливать очень слабые сигналы, а она не только не выпускалась серийно, ее просто не существовало. Поэтому ученым пришлось создавать усилители самим. Каждый раз при появлении какого-нибудь технического новшества они переделывали свою аппаратуру и снова пытались провести измерения. Ключевой проблемой был шум, в котором терялся нужный им ничтожный сигнал. Электрические цепи (в том числе и биологические) всегда генерируют шум вроде того шипения и свиста, которые мы слышим в старом радиоприемнике. Неер и Закман перепробовали массу способов снижения фонового шума, и их упорство принесло результат. Примерно в 1974 г. им удалось выделить токи, возникающие в отдельно взятом канале, – они выглядели на графике как крошечные прямоугольные импульсы, которые возникали в результате течения ионов через пору каждый раз, когда канал открывался. Некоторое время ученые не осмеливались сообщать о полученных результатах, поскольку токи регистрировались только при самых благоприятных условиях, но в конце концов, проделав огромную работу, они убедились в их надежности и решились на публикацию.

Их статья произвела фурор, однако из-за сложности предложенного метода мало кто попытался тут же воспроизвести результат. Фоновый шум по-прежнему оставался проблемой и препятствовал измерению малых токов. В течение следующих двух лет ученые безуспешно пытались повысить качество измерений – никакие ухищрения не помогали. А потом совершенно неожиданно пришла идея относительно того, что нужно сделать. Иногда при проведении экспериментов шум резко падал – настолько низко, что график тока превращался в плоскую линию. Полагая, что кончик электрода забился инородными частицами, ученые немедленно прекращали эксперимент (и выплескивали младенца вместе с водой). Однако в очень редких случаях эксперимент продолжался, и тогда ионные токи проявлялись с удивительной ясностью. Причины такого явления они тогда не знали, а происходило это потому, что клеточная мембрана очень плотно прижималась к стеклянному электроду, устраняя практически полностью фоновый шум. Таким образом, становилось возможным скачкообразное повышение разрешения измерительной системы.

Надежно воспроизвести подобное идеальное измерение не удавалось вплоть до января 1980 г., когда Неер понял, что при использовании свежего электрода шансы на плотное прилегание к мембране повышаются. В приподнятом настроении он позвонил своему коллеге и сказал: «Я знаю, как добраться до каналов!» История на этом, однако, не закончилась – даже свежие пипетки не всегда плотно прилегали к мембране. Удаление инородных частиц с клеточной мембраны с помощью ферментов или использование клеток искусственно выращенной ткани, которые заведомо имеют очень чистые мембраны, повышало вероятность успеха. Окончательным решением проблемы стало создание небольшого разрежения в электроде. Это, по всей видимости, приводило к частичному втягиванию мембраны в электрод и обеспечивало более плотное прилегание. Чтобы дойти до этого, потребовалось почти 10 лет.

Настоящие прорывы в науке случаются намного реже, чем можно подумать, глядя на сообщения в газетах, и происходят они не в одночасье, а обычно требуют долгих лет упорного труда, как показывает эта история. Усовершенствованный метод локальной фиксации потенциала был в подлинном смысле революционным. Очень быстро выяснилось, что он намного более универсален, чем представлялось первоначально. Удивительная стабильность контакта между стеклянной пипеткой и клеточной мембраной позволяла изолировать небольшие участки мембраны без ее повреждения и исследовать активность каналов на них. Этот метод открывал возможность изучения любых клеток организма, недоступную прежде, поскольку более старые технологии приводили к слишком сильному повреждению клеток.

Статья команды Неера и Закмана, содержавшая подробное описание метода осуществления измерений с высоким разрешением, взбудоражила научное сообщество и быстро стала классической. Практически на следующий день все захотели попробовать локальную фиксацию потенциала. Неер и Закман великодушно распахнули двери своих лабораторий, и весь мир отправился в Гёттинген осваивать метод. Даже тогда это было непростым делом, поскольку аппаратуру приходилось создавать самостоятельно. Я, например, не одну неделю билась над сложными электрическими схемами, держа паяльник в одной руке и утирая слезы другой. К счастью эта пытка продолжалась недолго – уже через несколько лет каждый мог купить отличные серийно выпускаемые усилители (если, конечно, у него были для этого деньги).

Теперь, когда можно было видеть электрический сигнал канала, настало время поиска ответов на самые разные вопросы. Сколько видов каналов существует? Какие функции они выполняют? Как именно они работают – какие молекулярные процессы в них происходят, когда они открываются и закрываются, как происходит отбор ионов, которые проходят через канал?

Генетический инструментарий

Практически в то же время, когда Неер и Закман дали нам возможность видеть ионные каналы в действии, произошла другая научная революция. Информация для синтеза каждого белка, который есть в нашем организме, закодирована в ДНК, и разработка новых методов молекулярной биологии сделала возможной идентификацию и манипулирование последовательностью ДНК, отвечающей за отдельный белок. Белки строятся из линейной цепи аминокислот, однако – подобно бусам, упавшим на пол, – они свертываются и приобретают значительно более сложные формы. Одни белки могут встраиваться в мембрану, а другие располагаются внутри или снаружи клетки. Белок может даже изгибаться так, что часть его структуры переворачивается, или, перефразируя Т. С. Элиота[15], конец становится началом. Трехмерная форма, которую принимает белок, имеет критически важное значение – ионные каналы должны образовывать проход, через который текут ионы, сигнальные молекулы должны удобно стыковываться с их целевыми рецепторами, структурные белки должны плотно прилегать друг к другу. Иногда несколько белковых цепочек образуют еще более сложную структуру. Калиевые каналы, например, как правило, формируются из четырех одинаковых элементов, которые связаны друг с другом так, что образуют центральную пору, пропускающую ионы.

В настоящее время невозможно точно сказать, как из простой последовательности аминокислот возникает трехмерная структура белка. Однако для полного понимания работы канала важно иметь некоторое представление о том, на что она похожа. Отправной точкой на пути к пониманию взаимосвязи между структурой и функцией стало знание последовательности ДНК. Когда известен генетический код белка, его можно изменять и получать каналы «на заказ», подстроенные под вопрос, который вас интересует. Хотите знать, что делает конкретная аминокислота? Нет ничего проще: замените ее на другую и посмотрите, что произойдет. Именно так и происходит сегодня. Теперь, когда мы знаем полную последовательность генома человека (и многих других биологических видов), последовательность ДНК нужного вам белка можно найти в онлайновой базе данных и заказать ее у какой-нибудь коммерческой компании примерно за £1000. Вы получите ее в течение нескольких дней – невидимую невооруженным глазом каплю на кусочке фильтровальной бумаги. В 1980-х гг., однако, ситуация была не такой простой. Последовательность ДНК нужно было определять своими силами, а на это могла уйти масса времени, в некоторых случаях многие-многие годы.

Игольное ушко

Так или иначе, соединение молекулярной биологии с новыми методами измерения электрических сигналов постепенно начало приподнимать завесу тайны над проблемой избирательности ионных каналов – над тем, каким образом каналы различают ионы. Как оказалось, учитывая, что одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются, на входе во многие каналы формируются заряженные кольца, которые предотвращают проникновение ионов или помогают ему. Так, с помощью отрицательного заряда, который притягивает катионы и отталкивает анионы, канал может пропускать все катионы и блокировать вход для всех анионов. Критическая проблема, которая возникает в случае большинства ионных каналов, заключается в том, как обеспечить высокую селективность без снижения скорости прохождения ионов через пору. Один из самых сложных вопросов касался механизма, позволявшего калиевым каналам пропускать ионы калия, но закрывать вход для значительно меньших по размеру ионов натрия, которые также имеют положительный заряд. Эта загадка не давала ученым покоя много лет. Конечно, существовала расплывчатая идея, грубая модель работы канала, основанная на массе функциональных экспериментов, однако в реальности не хватало связи между этой информацией и структурным пониманием. Как на самом деле выглядел калиевый канал? Загадка была окончательно решена в 1998 г., когда Род Маккиннон добился потрясающего прорыва: выращивая кристаллы белка калиевого канала и просвечивая их рентгеновскими лучами, он смог впервые увидеть каждый атом калиевого канала. Ионы калия удалось поймать «на месте преступления» – в различных точках внутри поры, так что их путь через мембрану был виден во всех деталях.

Человек хрупкого сложения с лицом эльфа, Маккиннон – один из самых талантливых ученых, которых я знаю. Он твердо вознамерился решить загадку каналов и намного раньше других понял, что единственный способ добиться этого – напрямую разобрать структуру канала, атом за атомом. Подобная задача была не для слабых духом, никто не делал этого ранее, никто реально не знал, как сделать это, а большинство вообще не верило, что такое может быть сделано даже в ближайшем будущем. Технические сложности казались непреодолимыми, да к тому же Маккиннон был далек от профессии кристаллографа. Однако он не только блестящий ученый, но и бесстрашный, целеустремленный и чрезвычайно трудолюбивый человек (он славится своей способностью работать круглые сутки, урывая всего несколько часов на сон между экспериментами). Трудности его не останавливали, он сменил сферу своей научной деятельности и место работы – оставил должность в Гарварде и перебрался в Рокфеллеровский университет, поскольку считал, что условия там лучше. Некоторые думали, что он просто сошел с ума. В ретроспективе, впрочем, видно, что его решение было правильным. Всего через два года Маккиннона встретили бурной овацией – беспрецедентное явление для научного заседания, – когда он впервые представил структуру калиевого канала. Ионные каналы снова и снова приводили в Стокгольм{6}.

Рентгеновская структура показывала в мельчайших деталях, как работает калиевый канал, как он обеспечивает очень быстрый перенос ионов калия, настолько быстрый, словно на пути ионов не было никаких препятствий, и одновременно не пропускает более мелкие ионы натрия. Калиевые каналы, как оказалось, имели специальные «селективные фильтры» – короткие зоны, в которых пора сужается настолько, что проникающие ионы взаимодействуют со стенками. Попросту говоря, ширина такой зоны достаточна, чтобы протиснулся ион калия, но ничто более крупное пройти через нее не может. Фактически проход настолько мал, что калию приходится сбрасывать оболочку из молекул воды. В растворах все ионы окружены толстым слоем воды, и нужно немало усилий, чтобы освободиться от нее. Калий довольно легко освобождается от оболочки, поскольку селективный фильтр имитирует объятия водяной оболочки. С натрием же дело обстоит иначе. Хотя натрий довольно мал, чтобы проскользнуть через пору в обезвоженном состоянии, для удаления воды требуется слишком большое усилие – намного большее, чем энергия, которая генерируется в результате сжатия селективного фильтра, – поэтому он так и остается в водяной рубашке. А вместе с рубашкой натрий просто слишком велик, чтобы войти в пору.

Открытое и закрытое состояние

Ионные каналы – шлюзы клетки. Их важнейшее свойство состоит, пожалуй, в том, что они открываются и закрываются, регулируя движение ионов, а самое главное, процесс открывания и закрывания (их «воротный» механизм) жестко контролируется посредством присоединения внутриклеточных или наружных химических веществ, механического напряжения или изменения разности потенциалов на клеточной мембране.

Нервные клетки общаются друг с другом через химические посланники, известные как медиаторы, которые взаимодействуют со специализированными ионными каналами в мембране целевой клетки. Медиатор присоединяется к определенному участку белка канала, входя в него, как ключ в замок. Это вызывает конформационное изменение белка канала, который открывает пору и позволяет ионам проходить через нее. Мы пока еще мало знаем о том, как происходит такое изменение формы, или о том, каким образом присоединение химического вещества в определенном месте приводит к структурному изменению другой части белка, которая может находиться на значительном удалении. Такой механизм управления каналами имеет очень большое значение не только потому, что он обеспечивает передачу информации между клетками, но и потому, что многие медицинские препараты и яды воздействуют на активность каналов (и, таким образом, на клеточные функции), присоединяясь к тому же участку, что и естественный медиатор, и блокируя или имитируя действие этого медиатора.

Например, яд кураре, который южноамериканские индейцы наносят на стрелы, присоединяется к ионным каналам, участвующим в процессе передачи импульсов в нервных и мышечных волокнах, и блокирует действие естественного медиатора, вызывая паралич. А галюциноген ЛСД имитирует действие медиатора серотонина, вызывая чрезмерную стимуляцию определенных нейронов мозга. Мой любимый АТФ-зависимый калиевый канал закрывается при присоединении АТФ, генерируемого при расщеплении глюкозы, – именно таким образом метаболизм глюкозы приводит к закрыванию канала и секреции инсулина. Если связывающий участок изменяется, например в результате мутации, как в случае Джеймса, то АТФ не может присоединиться, АТФ-зависимый калиевый канал не закрывается, а инсулин не вырабатывается. Итогом является диабет.

При «потенциал-зависимом» механизме управления (воротном механизме) канал должен быть чувствительным к изменению потенциала электрического поля на мембране. На мембране всех клеток существует разность потенциалов, причем внутренний потенциал примерно на 70 мВ более отрицателен, чем наружный. Когда нерв генерирует электрический импульс, этот внутренний потенциал резко возрастает приблизительно на 100 мВ и на короткое время становится положительным по отношению к наружному. Сотня милливольт может показаться незначительной величиной, однако это не так, поскольку мембрана очень тонкая. С учетом толщины мембраны напряженность электрического поля, действующего на канал, может быть огромной – порядка 100 000 В/см. Напряжение бытовой сети электроснабжения в Великобритании составляет 240 В, и если вы по неосторожности прикоснетесь к оголенному проводу (надеюсь, что с вами этого никогда не случится), то получите представление о том, какой удар током получает ионный канал, когда нерв генерирует импульс. Если посмотреть на проблему под таким углом, то способность изменения потенциала преобразовывать конформацию белка и переводить его из одного состояния в другое уже не вызывает удивления. О том, что каналы реагируют на напряженность электрического поля, мы узнали всего 25 лет назад, и точные детали этого явления все еще горячо обсуждаются.

В состоянии покоя потенциал-зависимые натриевые и калиевые каналы клеток нервной и мышечной ткани находятся в закрытом состоянии под действием отрицательного мембранного потенциала. Они открываются только тогда, когда потенциал смещается в положительную сторону, и если это происходит, то генерируется электрический импульс. О том, как об этом узнали и как распутывали загадки, связанные с работой нервов и мышц, рассказывается в следующих главах.

Глава 3

Импульс к действию

Я не смог увидеть ее сегодня.

Мне придется забыть о ней,

Поэтому я буду есть фугу.

Ёса Бусон

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 удача

{7}

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 Хаксли{8}. 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.

Глава 4

Не забывайте о межклеточном пространстве

прыжок

мысли через синаптическую щель.

Брайан Тернер. Эй, пуля

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.

Глава 5

Как действуют мышцы

Над сельской кузницей каштан

Раскинул полог свой.

Кузнец, могучий исполин

С курчавой головой,

Железо там кует весь день

Железною рукой[21].

Генри Уодсворт Лонгфелло. Деревенский кузнец

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.

Глава 6

Электрические рыбы

Кто не слыхал о страшной способности ската и той энергии, что принесла ему мрачную славу?

Клавдиан. Малые стихотворения (XLIX (XLVI))

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.

Пытаясь понять, что происходит, AT&T занялась рыбной ловлей. Были выловлены и исследованы сотни акул. В одном из экстравагантных экспериментов акуле даже попытались скормить кусок кабеля. «Кабель пришелся акуле не слишком по вкусу, когда его пытались запихнуть в пасть», – отрапортовал сотрудник AT&T Барретт в своем отчете.

Волоконно-оптические кабели укладываются вместе с подводными промежуточными станциями, которые усиливают оптические сигналы. Для питания этих усилителей требуется высокое напряжение, которое подается по медной оплетке, окружающей пучок оптических волокон. Было похоже, что акула прокусывала изоляцию и открывала доступ морской воды к медной оплетке. Это приводило к короткому замыканию системы электропитания и прерывало связь.

Дистанционно управляемые аппараты уже проводили съемку того, как акулы перекусывают электрические кабели. В одном сюжете акула даже возвращается, чтобы еще раз укусить кабель, который не удалось перекусить с первого раза. Проблема в случае волоконно-оптических кабелей заключалась в том, что они намного тоньше старомодных медных кабелей (зачастую не толще садового шланга диаметром примерно 2,5 см) и, таким образом, более уязвимы для зубов акулы. Кроме того, акуле вовсе не нужно перерезать кабель, чтобы нанести серьезное повреждение, – достаточен резкий изгиб. В конце концов AT&T решила «проблему челюстей», обернув кабель двумя слоями стальной ленты и заключив его в толстую полиуретановую оболочку. Выяснилось также, что акулы обычно не охотятся на глубине более 2000 метров, поэтому дополнительная защита от нападений акул не требуется на глубоководных участках.

Способность чувствовать электричество

Но зачем акулы нападают на кабель? Вокруг высоковольтного кабеля существует электрическое и магнитное поле. Считается, что акул привлекает электрическое поле кабеля, поскольку они могут реагировать на ничтожные электрические поля, возникающие в результате мышечной активности других организмов, и, таким образом, обнаруживать добычу, даже если она хорошо замаскирована. Отсутствие запахов не мешает акуле отыскивать закопавшуюся в песок камбалу. Она также реагирует на искусственное электрическое поле, величина которого аналогична тому полю, что возникает при дыхательных движениях камбалы, и «нападает». Достаточным оказывается ток силой всего лишь четыре микроампера, поэтому неудивительно, что акулы чувствуют слабые сигналы, исходящие от подводных кабелей.

Классический эксперимент Адриануса Калмейна продемонстрировал, как акулы используют электричество для обнаружения добычи. Акул, пойманных в проливе Ла-Манш и Северном море, поместили в резервуар. (а) Камбала, выпущенная в резервуар, немедленно зарывается в песок, но тут же обнаруживается голодной акулой. (b) Акула находит добычу, даже когда она помещена в агаровую камеру и покрыта песком так, чтобы исключить зрительные, механические или химические способы обнаружения. Так как агар имеет такую же проводимость, что и морская вода, он не препятствует распространению электрических сигналов. (с) Акула перестает находить добычу, если агаровую камеру закрыть тонкой пластиковой пленкой, сопротивление которой достаточно высоко для того, чтобы экранировать электрическое поле камбалы. Это показывает, что акула может чувствовать слабый электрический ток, генерируемый мышцами камбалы при дыхании. (d) Когда камбалу заменяют парой электродов, которые испускают электрический сигнал, подобный ее сигналу, акула атакует электроды и пытается их съесть. (e) Акула больше интересуется электродами, чем лежащим рядом куском рыбы, иными словами, на близком расстоянии электрическое поле является более сильным фактором, чем визуальные или химические сигналы.

Все организмы генерируют ничтожные токи, когда возникают импульсы в нервах или сокращаются мышцы. Неподвижность не спасает – сокращения дыхательных мышц и биение сердца все равно вас выдадут. Когда вы читаете эти слова, мышцы вашего тела создают фон из потрескивающих электрических разрядов. Рыбы, живущие в море, очень хорошо чувствуют эти рассеянные токи. Из-за низкого сопротивления воды (благодаря высокой концентрации растворенных в ней солей) ток распространяется намного дальше: некоторые рыбы способны чувствовать электрические поля напряженностью всего 0,01 мкВ/см (одна десятитысячная часть напряженности, создаваемого батарейкой АА). Неподвижный человек, погруженный в морскую воду по шею, создает электрическое поле напряженностью порядка 0,02 мкВ/см на расстоянии одного метра от тела. Этого более чем достаточно для акулы, чтобы учуять вас.

Электрическое поле могут чувствовать не только акулы, но и многие другие рыбы, включая сомов, скатов, миног, двоякодышащих и кистеперых рыб. Есть основания полагать, что некоторые из них способны даже реагировать на изменение земного электрического поля, предшествующее землетрясению. Возможно, с этим связана японская легенда о том, что землетрясения вызывает гигантский сом, намадзу. Эту рыбу можно встретить в многочисленных прекрасных гравюрах в стиле укиё-э и в более прозаичных современных японских приборах раннего предупреждения о землетрясениях.

«Восприимчивость к электрическому полю» развилась по той причине, что органы чувств, воспринимающие электрические токи, позволяют дифференцировать различные виды рыб. Клетки-электрорецепторы, дающие акулам и скатам возможность исключительно тонко чувствовать электрические поля, расположены в особых органах чувств, известных как ампулы Лоренцини{15}. Они сконцентрированы на голове акулы в области носа и рта. До сих пор непонятно, как этим клеткам удается достичь такой невероятной чувствительности. В отличие от акул, у костистых рыб в электрорецепторы превратились рецепторы боковой линии, которые чувствительны к движению. Когда вы в следующий раз приготовите целую рыбу на обед, повнимательнее посмотрите на ее бока. Вы увидите тонкую линию, которая тянется по центру бока от головы до хвоста. Это и есть «боковая линия». У большинства рыб органы чувств, являющиеся частью боковой линии, реагируют на изменения давления воды. Однако у некоторых видов рыб рецепторы боковой линии превратились в орган, реагирующий на электрическое поле.

Охота в потемках

Некоторые земноводные, например аксолотль и гигантская саламандра, а также примитивные яйцекладущие млекопитающие (однопроходные яйцекладущие) вроде утконоса тоже обладают чувствительностью к электрическому полю. Все они не случайно живут в водной среде, поскольку для восприятия электрического поля необходима проводящая среда.

Утконос – самое необычное млекопитающее, обитающее в ручьях и реках Австралии. Оно покрыто мехом, имеет перепончатые лапы, у него есть шпоры, наполненные ядом, на задних лапах, гибкий кожистый нос по форме напоминающий утиный, и, наконец, оно откладывает яйца. Утконос, помимо прочего, очень тонко чувствует электрические поля, что позволяет ему находить добычу в мутных потоках ночью, хотя при нырянии он и закрывает глаза, уши и ноздри. На коже его носа находится большое количество чувствительных к электричеству клеток, порядка 40 000, вытянутых длинными рядами от основания до кончика носа. Такая электрорецепторная система обладает острой направленностью – во время охоты утконос водит головой из стороны в сторону. Возможно, это помогает ему отыскивать добычу, сравнивая сигналы от электрорецепторов на левой и на правой сторонах клюва, подобно тому, как вы поворачиваете голову из стороны в сторону, чтобы определить, откуда слышен звук. Удивительно то, что утконос может также определять расстояние до добычи. Сделать это ему помогает одновременное использование электрических и механических органов чувств – интервал между поступлением электрических сигналов и изменениями давления в воде, возникающими при движении добычи, позволяет оценивать расстояние.

Западная, или австралийская, ехидна – сухопутное яйцекладущее млекопитающее, имеет похожую, но менее сложную электрочувствительную систему. Это животное напоминает ежа с длинным носом, с помощью которого оно отыскивает во влажной опавшей листве дождевых червей и других беспозвоночных. Электрорецепторы у ехидны сосредоточены на коже, покрывающей кончик носа, они помогают ей отыскивать добычу. Тупорылая ехидна, имеющая намного меньше электрорецепторов, питается муравьями. Считается, что она может пользоваться своим электрочувствительным органом только после дождя, когда кормится особенно активно.

Электрорецепторы однопроходных яйцекладущих совершенно не похожи на электрорецепторы рыб и, по всей видимости, сформировались из слизистых желез. Это не случайно для животных, которые непостоянно живут в воде, поскольку обеспечивает поддержание чувствительных клеток во влажном состоянии и повышает их способность реагировать на электрический сигнал. Электродетекторами служат оголенные нервные окончания – специализированный орган чувств отсутствует. Хотя порог чувствительности отдельного окончания нервного волокна составляет лишь 1–2 мВ/см, утконос может обнаруживать поле, напряженность которого почти стократно меньше. Удивительная чувствительность утконоса, возможно, связана с его способностью интегрировать информацию от многих тысяч рецепторов, что кардинально увеличивает способность реагировать на сигнал.

Гвианский дельфин обитает в прибрежных водах и дельтах рек северо-восточного побережья Южной Америки, где взвешенные породы и отложения могут замутнять воду. Он использует электрорецепторы, расположенные во впадинах «носа», для обнаружения слабых электрических полей небольших рыб. По всей видимости, электросенсорные способности служат дополнительным средством обнаружения добычи в непосредственной близости.

Поиск пути

Электрический разряд, генерируемый угрем, не давал покоя Чарльзу Дарвину, который не мог объяснить, из чего эволюционировал электрический орган, поскольку не было никаких промежуточных органов для защиты или нападения, а существовал лишь полностью сформировавшийся орган. Дарвин не понимал, какое преимущество может давать животному способность генерировать электрический разряд. Однако, как нам сейчас известно, слабый электрический разряд имеет очень большое значение.

Рыбы, генерирующие слабые электрические импульсы, силой всего несколько вольт, были обнаружены в конце XIX и в начале XX в. Они обладают сложной электросенсорной системой, в которой генерирование слабых электрических разрядов сочетается с электрорецепцией. Система служит для обнаружения как хищников, так и добычи и просто бесценна для ориентирования в темноте, где зрение бесполезно. Пассивная электрорецепция, как у акул, подобна слуху – это просто обнаружение электрического поля в окружающей среде. Активная электрорецепция больше походит на радиолокатор – рыба генерирует электрическое поле и обнаруживает объекты по искажениям этого поля.

Решающие эксперименты, показавшие функцию этих слабых электрических разрядов, провели Ганс Лиссманн и Кен Мэчин в 1950-х гг. Лиссманна заинтриговал тот факт, что представитель нотоптеровых гимнарх (Gymnarchus) нередко плавает задом наперед и при этом ни на что не наталкивается, умеет обходить препятствия и способен обнаруживать добычу на некотором расстоянии, несмотря на очень низкую видимость. По одной из историй, возможно, вымышленной, на способность гимнарха реагировать на электрическое поле обратили внимание, когда какая-то студентка стала причесываться около аквариума, и это испугало рыбу. Эта история вполне может быть мифом, но Лиссманн сообщал в своем отчете, что такой эффект наблюдался, когда он причесывался (наверное, возникающий во время причесывания электростатический заряд пугал рыбу). Установив электроды в аквариуме, Лиссманн обнаружил, что рыба генерирует непрерывный поток электрических импульсов и что она очень чутко реагирует на любые изменения создаваемого ею электрического поля. Его записи завершаются нотой отчаяния: «К сожалению, в процессе исследований мой гимнарх погиб, и, как оказалось, ему очень трудно найти замену… Я был бы очень признателен любому, кто сообщит мне, где можно добыть такую рыбу».

По всей видимости, Лиссманну так никто и не ответил, поскольку он вскоре после этого, в 1951 г., сам отправился в Африку, чтобы найти объект исследования. Его целью была река Черная Вольта на севере Ганы. В сезон дождей вода в этой реке становится чрезвычайно мутной из-за высокого содержания взвешенных частиц. В такой воде трудно не только рыбе разглядеть добычу, но исследователю увидеть рыбу. Присутствие рыбы обнаруживали с помощью двух электродов, которые опускали в воду с берега (или с лодки) на длинном шесте и подключали к усилителю, преобразовывавшему электрический сигнал в звуковой. Это позволяло «слышать» электрическую рыбу, и Лиссманн обычно регистрировал характерный ровный шум с частотой около 300 циклов в секунду. В результате он поймал-таки нескольких рыб, три из которых ему удалось доставить в целости и сохранности в Кембридж и продолжить исследования.

Лиссманн и Мэчин вознамерились проверить идею о том, что гимнарх обнаруживает объекты в воде по их искажающему воздействию на электрическое поле, генерируемое самой рыбой. Они использовали пористые керамические горшки с разной электропроводностью: одни из них наполнялись дистиллированной водой и имели низкую электропроводность, другие – концентрированным раствором соли для получения более высокой электропроводности, чем могла ожидать рыба. Как оказалось, гимнарх легко различал горшки с разной электропроводностью.

Электросенсорный аппарат гимнарха состоит из электрического органа, который генерирует слабое электрическое поле, и детекторной системы, реагирующей на искажения этого поля под влиянием объектов в окружающей среде. Фактически рыба создает электрический образ своей среды, подобный зрительному образу, который мы используем для ориентирования в пространстве. Электрические импульсы, испускаемые такими рыбами, относительно слабые – их напряжение составляет менее одного вольта. Они генерируются электрическим органом, который работает аналогично электрическому органу угря, но из-за меньшего числа электрических пластинок получаемое напряжение намного слабее. Электрическое поле, создаваемое электрической рыбой, по форме напоминает рисунок, возникающий вокруг стержневого магнита, когда в его поле помещают стальные опилки. Силовые линии (с одним и тем же потенциалом) идут от головы к хвосту, становясь тем слабее, чем дальше они находятся от рыбы[24]. Ток течет под прямым углом к линиям постоянного потенциала и, таким образом, выходит из рыбы перпендикулярно ее телу и входит в нее в районе хвоста.

Если в это электрическое поле попадает какой-либо объект, он искажает его. Так, если сопротивление объекта больше сопротивления воды (например, в случае камня), электрический ток обтекает его, создавая локальное снижение плотности тока и «электрическую тень» на поверхности рыбы. Если же объект имеет более низкое сопротивление (например, другая рыба), то ток пойдет через него, увеличивая плотность тока и создавая «электрическое светлое пятно» на коже. Чем ближе объект, тем больше пятно. Воспринимая эти изменения силы тока, рыба может определять не только присутствие и размер объекта, но и то, из чего он сделан, т. е. принимать решение, нападать, спасаться или просто не обращать внимания. Конечно, если у объекта будет точно такое же сопротивление, как и у воды, то он станет невидимым для рыбы.

Электрическое поле вокруг гимнарха искажается как объектом с более высокой электропроводностью, чем у воды, например рыбой (слева), так и объектом с более низкой электропроводностью, например камнем (справа). Линиями обозначен поток электрического тока.

Электрорецепторы на коже рыбы следят за ее собственным электрическим полем и искажениями, создаваемыми объектами окружающей среды. У рыб вроде гимнарха их примерно 15 000. Электрорецепторы сосредоточены на голове, однако встречаются и на верхней части спины, где их плотность ниже. Есть и особо чувствительное скопление рецепторов на нижней челюсти. Эти бугристые органы восприятия электрического поля представляют собой небольшую ямочку, дно которой выстлано чувствительными клетками, которые действуют как крошечные вольтметры, реагирующие на падение напряжения между двумя сторонами кожи. Они чрезвычайно чувствительны: когда Мэчин построил электрическую модель в попытке смоделировать чувствительный к электричеству орган рыбы, живая рыба постоянно превосходила ее.

Разговор с помощью искр

Разряды, генерируемые электрическими рыбами, можно разделить на две категории: импульсные и волновые. Электрические рыбы с импульсными разрядами, такие как рыба-слон Gnathonemus, испускают поток коротких импульсов, амплитуда которых составляет несколько милливольт. Электрические рыбы с волновыми разрядами, вроде упомянутого выше гимнарха, генерируют непрерывный электрический ток переменной силы. Его синусоидальные колебания удивительно стабильны – прямо как хороший промышленный генератор колебаний – и имеют частоту порядка 800–1000 герц.

И те, и другие рыбы могут перестраивать частоту сигналов, которая варьирует не только в зависимости от вида и пола, но от рыбы к рыбе. Это открывает возможности для своего рода коммуникации. Характерный электрический образ, создаваемый, например, каждой рыбой-слоном, позволяет различать отдельные особи одного и того же вида – очень важный фактор при поиске пары в темноте и в мутной воде. Частота, с которой рыба испускает сигналы, определяет ее место в социальной иерархии стаи. Чем выше ее положение в иерархии (т. е. чем выше статус рыбы), тем выше частота сигналов. Это, возможно, связано с тем, что более высокая частота разрядов требует более значительных энергетических затрат, а потому доступна только «самым сильным» членам иерархии. Более высокая частота – своеобразный электрический эквивалент яркого хвоста павлина.

Способность отличать собственные электрические сигналы от сигналов других обитателей вод жизненно важна для рыбы. Рыбы с волновыми сигналами добиваются этого, испуская сигналы с постоянной частотой. У каждой особи своя частота, точно так же, как и у радиостанций, вещающих на разных частотах. Вместе с тем, поскольку частотный диапазон ограничен, время от времени встречаются особи с одинаковой частотой. Это может создавать проблемы, поскольку не ясно, какой сигнал кому принадлежит, что очень похоже на две радиопрограммы, передаваемые на одной и той же частоте. По сути рыбы глушат свои сигналы, мешая друг другу ориентироваться. Когда такое происходит, рыбы изменяют свои частоты и, таким образом, сохраняют индивидуальность в коммуникационном диапазоне.

В мире, однако, далеко не всегда царят благоденствие и всеобщее согласие. В сражении подавление сигнала противника может дезориентировать его и дать вам преимущество. Именно такую тактику применяют самцы и самки спинопера глазчатого, когда дело доходит до борьбы с соперником. Обычно при встрече с другой рыбой они изменяют свою частоту во избежание наложения, но во время столкновения с соперником намеренно глушат его сигнал, стараясь добиться господства. В иерархии спиноперов глазчатых более крупные и доминирующие самцы испускают сигнал с более высокой частотой и агрессивно повышают его при встрече с потенциальным соперником. Это может привести к войне частот, где каждая из рыб пытается подавить электрический сигнал другой и дезориентировать ее.

Самец рыбы-слона во время ухаживания тоже использует электрические сигналы, но уже для того, чтобы привлечь самку. Разные виды рыб генерируют импульсы разной амплитуды, разной продолжительности и разной частоты, а самки настраиваются на сигналы самцов своего вида. У некоторых видов существуют сложные электрические ритуалы ухаживания, подобные пению птиц в период ухаживания. Самцы ночных гимнотообразных рыб, например, исполняют в честь своих потенциальных подруг целые электрические серенады, а нерест сопровождается электрической феерией. Этот концерт обходится очень дорого – практически 20 % энергии, потребляемой рыбой, идет на электрическое представление. Такое действо позволяет самым сильным самцам заявить о себе, а самкам выбрать наилучшего партнера. Вместе с тем у подобной стратегии есть и негативная сторона. Электрические сигналы воспринимаются также некоторыми хищниками, так что поголовье самцов быстро уменьшается и мало кто из них доживает до конца брачного периода. Чтобы избежать массового истребления, самцы испускают высокочастотные сигналы только ночью, когда самки более восприимчивы и готовы к нересту, и переходят на низкочастотные песни днем. Стратегии ухаживания у самцов электрических рыб, похоже, не менее сложны, чем у их аналогов из рода человеческого.

Глава 7

Сердечное дело

Крепись мое сердце; бывало и хуже.

Гомер

Ранним летним утром Алекс собиралась в школу. Несмотря на волнение перед предстоящим экзаменом, чрезмерного стресса она не испытывала. Все было хорошо, пока Алекс не отправилась в ванную. Она протянула руку к выключателю и рухнула на пол. Оказавшаяся рядом мать быстро пришла на помощь. Но это был не просто обморок. У Алекс наблюдались серьезные проблемы с сердцем, и матери, несмотря на отчаянные усилия, не удалось привести ее в чувство.

По счастливой случайности Алекс жила недалеко от пожарной части, и дежурный принял экстренный телефонный вызов. Он быстро прибыл на место и делал девочке искусственное дыхание и непрямой массаж сердца до тех пор, пока не приехала скорая помощь. Это обеспечило приток кислорода к мозгу и тканям, несмотря на то, что сердце работало с перебоями, а легкие перестали дышать. По дороге в больницу сердце девочки останавливалось и усилиями медиков вновь запускалось не один раз. Она находилась без сознания 17 часов, но в конце концов все же пришла в себя.

Анализ показал, что у Алекс нарушена электрическая активность сердца, ведущая к приступам с потерей сознания и к необратимой остановке сердца. Этим недугом страдала вся семья Алекс. Ее бабушка умерла во сне, не дожив до 30 лет, отец не раз терял сознание в детском возрасте и умер молодым всего за год до того, как у Алекс случился тот приступ. Все свидетельствовало о том, что у них был такой же генетический дефект, как и у Алекс.

Алекс и ее родственники не одиноки. Подобные трагедии случаются и в других семьях – дети и молодые взрослые люди умирают во сне после физической нагрузки или стресса. Рассказывают даже о детях, которые падали в обморок после выговора, сделанного учителем, или после того, как они побегают по площадке. Можно без преувеличения сказать, что некоторые дети в таком состоянии действительно умирали от страха. К счастью, наше более глубокое понимание электрической активности сердца позволяет теперь диагностировать это заболевание по электрокардиограмме или путем простого генетического теста и успешно лечить.

Биение продолжается

Уже не одно столетие известно, что сердце имеет внутренний ритм и продолжает биться, когда его удаляют из тела живого животного. Одним из первых этот феномен описал великий римский врач Гален. За ним последовали и другие, включая Леонардо да Винчи, который отмечал, что сердце сокращается само по себе. Уильям Гарвей демонстрировал, что даже части разрезанного сердца угря продолжают сокращаться. Возможно, именно из-за этой внутренней активности древние греки считали, что душа человека находится в его сердце. Конечно, у сердцебиения совсем не духовное происхождение, оно возникает в результате электрических явлений, происходящих в клетках сердца.

По сути наше сердце – это насос, управляемый электричеством. Кровь входит через верхние камеры (предсердия), которые сокращаются первыми и проталкивают кровь в значительно более крупные нижние камеры (желудочки). Желудочки сокращаются синхронно примерно через полсекунды – правый желудочек гонит кровь в легкие, а левый заставляет ее циркулировать по всему телу.

Обратные клапаны между верхними и нижними камерами позволяют крови течь только в одном направлении – от предсердия в желудочки. Аналогичные обратные клапаны находятся на выходе из желудочков, отделяя их от крупных сосудов. Если эти клапаны дают течь, что может случиться с возрастом, то кровь перекачивается менее эффективно, организм получает меньше кислорода, и человек чувствует постоянную усталость. Камеры с правой и с левой стороны сердца физически разделены, что предотвращает смешивание богатой кислородом крови, выходящей из легких, с кровью, поступающей из тканей. Поскольку клетки сердца связаны друг с другом, они сокращаются синхронно, и сердце бьется как единый орган.

Электрическая система сердца. Клетки, задающие ритм, находятся в синусном узле на стенке правого предсердия. Черными линиями со стрелками обозначены пучки волокон, образующие проводящие пути, по которым электрические сигналы поступают к нижним камерам (желудочкам). Две стороны сердца физически разделены, но сокращаются одновременно. По легочной артерии кровь поступает из правой стороны сердца в легкие. После насыщения кислородом в легких кровь возвращается в левую сторону сердца откуда поступает в аорту и распространяется по всему организму. Момент, когда сердце сокращается, называют систолой, а момент, когда оно полностью расслабляется, – диастолой.

Каждое сокращение инициируется группой задающих ритм клеток (так называемым синусно-предсердным узлом), которые расположены в верхней правой камере сердца и называются водителем ритма. Эти клетки генерируют электрические импульсы, передаваемые остальным клеткам по специализированным проводящим каналам: сначала к предсердно-желудочковому узлу, находящемуся в месте примыкания правого предсердия и желудочков, а затем к стенкам самих желудочков. Время передачи электрических сигналов таково, что они сначала достигают верхних камер, а потом желудочков. Неодновременность моментов возбуждения необходима для того, чтобы сердце могло выполнять роль насоса. При нарушении последовательности возбуждения сердце перестает биться ровно и теряет способность перекачивать кровь находится под угрозой.

Хотя средняя частота сокращений сердца в спокойном состоянии составляет 70 ударов в минуту (т. е. примерно 100 000 ударов в сутки), она очень широко варьирует от человека к человеку. У спортсменов частота сокращений в состоянии покоя значительно ниже, нередко всего 40 ударов в минуту. Рекордно низкая частота сокращений (28 ударов в минуту) была зарегистрирована у велосипедиста Мигеля Индурайна, который выигрывал гонку Tour de France пять раз кряду. В отличие от спортсменов сердце младенцев бьется намного быстрее, чем у взрослых людей (130–150 ударов в минуту). К тому же частота сокращений сердца меняется в зависимости от размера тела. Так, у более мелких животных (включая младенцев) в состоянии покоя частота сокращений выше: сердце крошечной землеройки бьется с частотой 600 ударов в минуту, а у слона – 25 увесистых ударов в минуту.

Электрокардиограмма

Электрические сигналы, генерируемые клетками сердца, вызывают ничтожные изменения электрического потенциала на поверхности тела, которые можно зарегистрировать с помощью электродов, прикладываемых к коже. Это основа получения электрокардиограммы, которую все знают по аббревиатуре ЭКГ.

Собака Августа Валлера по кличке Джимми была самым популярным персонажем на ежегодном вечере, устраиваемом Королевским научным обществом в Берлингтон-хаусе. Это научное собрание для ученых и широкой публики проводится до сих пор и традиционно сопровождается демонстрацией опытов. Джимми с достоинством стоит двумя лапами (левыми) в электропроводном соляном растворе, который соединен со струнным гальванометром Эйнтховена (большой ящик слева), регистрирующим каждое сокращение сердца. Струна подсвечивается прожектором, а ее тень проецируется на простыню. Струна колеблется в такт сокращениям сердца бульдога. Измерение было совершенно безболезненным, что отмечали многие добровольцы из публики, рискнувшие занять место Джимми. Август Валлер виден у левого края фотографии.

Электрическая активность сердца впервые была зарегистрирована Августом Валлером в 1887 г. Он снял кардиограмму у себя и у своей собаки Джимми. Демонстрация его метода на ежегодном вечере Королевского научного общества в Лондоне в 1909 г. была открытой для публики, а отчет о ней опубликовали в журнале Illustrated London News. Это вызвало шквал протестов в парламенте, а г-н Эллис Гриффит, член парламента от графства Англси, потребовал провести расследование, не было ли здесь нарушения Закона о защите животных 1876 г. По сообщению газеты The Times, министр Гладстон{16} ответил на это так: «Насколько я понимаю, собака стояла некоторое время в воде, куда был добавлен хлорид натрия, другими словами, немного обычной соли. Если моему досточтимому другу когда-нибудь доводилось купаться в море, он должен представлять, что чувствуют при этом. (Смех.) Собака – крепко сложенный бульдог – не привязана, и на ней нет намордника. На нее надет кожаный ошейник, украшенный медными заклепками [г-н Гриффит описал этот атрибут более эмоционально, как “кожаный ремень с острыми шипами… охватывающий шею собаки”]. Будь опыт болезненным, стоявшие рядом с собакой сразу ощутили бы на себе ее зубы. (Смех.) Однако ничто не указывает на это». Он мог бы добавить, что после того, как Джимми прошел испытание, представительницы прекрасного пола, присутствовавшие в зале, выстроились в очередь, желая получить запись своего сердцебиения. Они опускали руки в сосуды с соляным раствором, а «их сердца бились намного ровнее, чем у Джимми». Как видно из этого повествования, обеспокоенность, связанная с проведением опытов над животными, имеет в Англии давнюю историю.

Поначалу записи Валлера были плохого качества и не годились для медицинских целей, и он якобы говорил, что даже не думал о возможности широкого использования электрокардиографии в лечебной практике, ну разве что «в редких случаях для записи уникальных аномалий сердечной деятельности». Однако в результате технического прогресса к 1920-м гг. она уже рутинно применялась для диагностики сердечных заболеваний и остается одним из важнейших клинических методов сегодня.

Проблема была решена с появлением очень чувствительных приборов, способных регистрировать ничтожные электрические токи, возникающие на поверхности тела при сокращениях сердца. Пионером в этой области был Уиллем Эйнтховен, получивший Нобелевскую премию в 1924 г. за изобретение струнного гальванометра[25]. Он содержал тонкое стеклянное волокно, покрытое серебром для обеспечения электропроводности и подвешенное между двумя очень сильными электромагнитами. Когда через волокно («струну» гальванометра) проходил ток, электромагнитное поле заставляло его смещаться. Чем больше был ток, тем сильнее смещалось волокно. Для того чтобы незначительные перемещения стали заметными, волокно освещали ярким пучком света, а отбрасываемую тень регистрировали на движущейся фотографической пластинке. Оставалось лишь соединить электропроводную нить с телом. Для этого к концам нити присоединили провода, которые погрузили в сосуды с раствором соли. Погружение рук и ног в раствор замыкало электрическую цепь между «струной» и кожей. Ток от сердца, проходящий через поверхность тела, теперь влиял на движение нити.

Первая модель струнного гальванометра была огромной. Она весила несколько тонн, для управления ею требовались пять человек, а электромагниты нужно было постоянно охлаждать водой. Стеклянное волокно необходимо было сделать очень легким и тонким. Его получали из расплавленного в тигле кварцевого стекла. Тонкую нить из расплава вытягивали самым необычным способом, который больше походил на выдумку бойскаута, а не на плод размышлений серьезного экспериментатора. Расплавленное стекло прикрепляли к стреле, которую выпускали из одного конца комнаты в другой. Стрела тащила за собой расплав и вытягивала стекло в очень тонкую «струну». Волокно затем покрывали серебром, чтобы сделать его электропроводным. Такой метод сегодня, без сомнения, был бы запрещен по соображениям безопасности, к счастью, в наше время есть другие методы записи ничтожно малых токов.

На первых фотографиях видно, как Эйнтховен сидит, погрузив обе руки и левую ногу (с аккуратно завернутой штаниной) в сосуды с электропроводным соляным раствором, от которых тянутся провода к измерительному прибору. В наши дни для улучшения контакта между электродами и кожей обеих рук и левой ноги используют электропроводный гель. Измерительная аппаратура сильно уменьшилась в размерах. Первый прибор Эйнтховена занимал две комнаты, а сейчас существуют портативные мониторы для круглосуточного контроля сердечной деятельности, которые не мешают пациенту заниматься своими повседневными делами.

ЭКГ отражает суммарный электрический сигнал клеток сердца и является очень хорошим неинвазивным методом контроля их функционирования. Каждый электрокардиографический комплекс состоит из начального импульса, называемого «зубцом P», за которым следует значительно более крупный и острый биполярный пик, известный как «комплекс QRS», а затем, две-три сотни миллисекунд спустя, более низкий и медленный «зубец T». Зубец P отражает электрическую активность клеток предсердий, а комплекс QRS и зубец T – начало и конец электрического импульса (потенциала действия) в клетках желудочков. Поскольку эти электрические сигналы вызывают сокращения мышц, зубец P также соответствует сокращению предсердий, а интервал между комплексом QRS и зубцом T указывает на продолжительность сокращения желудочков. Задержка между зубцами P и Q соответствует времени, в течение которого электрический сигнал проходит от предсердий до желудочков, а интервал между зубцами Q и T отражает продолжительность желудочкового потенциала действия. Почему Эйнтховен выбрал для обозначения зубцов ЭКГ средние буквы алфавита, остается загадкой.

Взаимосвязь между потенциалом действия желудочков (потенциал действия, верхняя кривая), электрокардиограммой (ЭКГ, средняя кривая) и сокращением сердца (нижняя кривая). «A» обозначает продолжительность сокращения предсердия, а «V» – продолжительность сокращения желудочков. Интервал QT отражает длительность потенциала действия желудочков.

ЭКГ особенно полезна для обнаружения нерегулярности электрической активности сердца и для диагностики ее причин. Изменение амплитуды и времени появления различных элементов ЭКГ может свидетельствовать о клинических проблемах. Более длинный, чем нормальный, интервал PR, например, сигнализирует о нарушении проводимости между верхними и нижними камерами сердца, называемом блокадой сердца. Перевернутый зубец T появляется после сердечного приступа, а увеличение интервала QT свидетельствует о повышенном риске внезапной необратимой остановке сердца.

Сердечные недуги

Хотя только клетки синусного узла правового предсердия действуют как водители ритма, спонтанно генерировать электрическую активность способны все клетки сердца. Это великое счастье, поскольку позволяет сердцу не останавливаться даже тогда, когда клетки синусно-предсердного узла перестают функционировать: их заменяют другие клетки, которые задают более медленный ритм. К последним относятся клетки расположенного между предсердием и желудочками предсердно-желудочкового узла, которые сокращаются 40–60 раз в минуту, и клетки, образующие проводящие пути в стенках желудочков (которые сокращаются 30–40 раз в минуту). Даже клетки желудочков сокращаются спонтанно. Причина, по которой именно клетки синусного узла обычно задают ритм, проста – их внутренняя частота сокращений самая высокая.

Если сердце бьется слишком медленно (это состояние называют брадикардией), то оно не может подавать кровь к тканям достаточно быстро, и человек чувствует усталость, слабость, головокружение и затруднение дыхания. Ходьба пешком и подъем по лестнице превращаются в испытание. Тахикардия, т. е. слишком быстрое биение сердца, тоже является проблемой. При частоте биения более 100 ударов в минуту у сердца недостаточно времени, чтобы полностью наполниться между сокращениями, и количество перекачиваемой крови сокращается. Как следствие, ткани опять страдают от недостатка кислорода, и человек ощущает постоянную усталость.

Временные нарушения ритма сердцебиения – довольно обычное явление, и многие из нас чувствуют пропуски сокращения. В действительности пропусков сокращений не бывает, просто мы чувствуем это как пропуск. На самом деле сокращение наступает рано, и мы не воспринимаем его как сокращение, поскольку сердце наполняется только наполовину. Затем следует необычно долгая пауза перед следующим сокращением, которое более заметно из-за того, что сердце переполняется. Такие «пропуски сокращений» очень распространенное явление, однако, несмотря на вызываемое ими беспокойство, они не имеют значения. Хотя по большей части пропуски сокращений возникают спонтанно, они также могут провоцироваться стрессом или препаратами вроде кофеина.

Самой распространенной патологией сердцебиения является мерцательная аритмия (AF), которой страдают 5 % людей старше 65 лет. Когда она возникает, верхние камеры сердца начинают сокращаться с перебоями и несинхронно. Это случается в результате нарушения электрической активности клеток синусно-предсердного узла или нарушений распространения электрического возбуждения в предсердиях при повреждении тканей. Если предсердия сокращаются несинхронно, то их способность нагнетать кровь в желудочки снижается, объемная скорость кровотока сердца падает, а пациент чувствует дурноту. Помимо прочего, при этом пульс становится неустойчивым. Мерцательная аритмия может вызвать появление тромбов, которые повышают риск инсульта. Тромб способен закупорить кровеносный сосуд мозга и перекрыть доступ крови к нижележащим тканям, которые отмирают (именно поэтому результатом инсульта нередко является потеря речи или частичный паралич). Иногда нормальный сердечный ритм удается восстановить с помощью лекарств или мягкого электрошока (процедура, известная как электроимпульсная терапия), однако, если мерцательная аритмия не проходит, может потребоваться электрокардиостимулятор.

Один из новых методов лечения мерцательной аритмии заключается в удалении небольшого участка ткани предсердия, который блокирует электрическую активность и тем самым вызывает проблему. Обычно это дает очень хороший эффект, и сердечная аритмия повторяется намного реже, чем при медикаментозном лечении. Операция может выполняться с помощью катетера, который вводится в вену и подводится через кровеносные сосуды к нужному месту сердца. Затем через катетер подают энергию, например высокочастотный импульс, для избирательного разрушения целевых клеток.

Более тяжелым случаем является блокада сердца, когда повреждение проводящих путей не позволяет электрическому сигналу проходить от предсердий к желудочкам (обратите внимание на то, что это не блокирование сосудов сердца). При полной блокаде сердца предсердный сигнал совершенно не проходит. Как следствие, желудочки начинают сокращаться по собственному ритму, и частота биения сердца может упасть вплоть до 30 ударов в минуту. Больной при этом с большим трудом переносит физические нагрузки. В таких случаях без электрокардиостимулятора не обойтись.

К самому серьезному нарушению сердечного ритма следует отнести вентрикулярную фибрилляцию (VF), которая приводит к смерти, если ее не устранить. В этом состоянии наблюдается электрический хаос из-за того, что множество областей в нижних камерах сердца борются за контроль ритма. В результате желудочки сокращаются настолько несинхронно, что сердце непрерывно вздрагивает, но сократиться полноценно не может. Как заметил выдающийся анатом XVI в. Везалий, оно похоже на извивающийся мешок с червями. Когда такое происходит, более-менее значительный кровоток сердца становится невозможным, и сердце довольно быстро останавливается из-за отсутствия кислорода, а больной умирает в течение нескольких минут. Но еще до остановки сердца кислородное голодание приводит к необратимому повреждению мозга. В такой ситуации единственным спасением является немедленное восстановление нормального ритма. Для этого нужно остановить сердце с помощью электрического разряда дефибриллятора и надеяться, что оно вернется к нормальному ритму после самопроизвольного запуска – процесс немного смахивает на нажатие кнопки перезагрузки компьютера.

Сердечные приступы возникают в результате прекращения подачи крови к сердцу, и причиной этого обычно является блокирование одной из коронарных артерий. По мере того как ткани, находящиеся за местом блокирования, лишаются кислорода, они начинают отмирать. Это может спровоцировать вентрикулярную фибрилляцию, поскольку повреждение тканей нарушает синхронное распространение электрических сигналов по сердцу. Различные группы сердечных клеток после этого начинают действовать самостоятельно и сокращаться в разное время. Как и в любом сообществе, сотрудничество между различными частями жизненно важно для эффективной работы сердца.

Восстановление ритма

Если сердце бьется неровно, для корректировки ритма нередко используют электрокардиостимулятор. Первоначально электрокардиостимуляторы представляли собой большие и громоздкие устройства размером примерно со стиральную машину и питались от электросети. Как следствие, свобода перемещения больного сильно ограничивалась. У таких приборов был и еще один серьезный недостаток – они прекращали работу при отключении электричества. В 1950-х гг. доктор Уолтон Лиллехай из Миннесотского университета начал проводить операции на открытом сердце у «синюшных детей». У таких детей был врожденный порок сердца – отверстие между левым и правым желудочками, в результате чего часть крови проходила мимо легких, и поступление кислорода в организм сильно сокращалось. После хирургического устранения отверстия у некоторых детей наблюдалась кратковременная блокада сердца. Повреждение тканей приводило к тому, что электрические сигналы от синусно-предсердного узла не доходили до желудочков, и сердцебиение нарушалось. В этих случаях Лиллехай применял электрокардиостимулятор и не отключал его до тех пор, пока сердце ребенка не восстанавливалось, т. е. в течение одной-двух недель.

Серьезное обесточивание Миннеаполиса в октябре 1957 г. привело к гибели одного из «синюшных детей». Разъяренный Лиллехай связался с Medtronic – компанией, выпускавшей электрокардиостимуляторы, и потребовал от нее что-нибудь работающее от батареек. К его немалому удивлению, меньше чем через месяц инженер компании Эрл Баккен приехал с электрокардиостимулятором, который и впрямь работал от батареек. По размерам он был не больше бутерброда. Миниатюризацию позволили осуществить схемы на полупроводниковых транзисторах.

В своей автобиографической книге «Полноценная жизнь одного человека» (One Man’s Full Life) Баккен написал: «В углу гаража я откопал старый номер журнала Popular Electronics, где была напечатана схема электронного метронома на транзисторах. Схема генерировала импульсы, которые воспроизводились как щелчки через громкоговоритель. Частоту щелчков можно было подстраивать под музыку. Я просто модифицировал эту схему и поместил ее, без громкоговорителя, в металлическую коробку размером 10 на 10 сантиметров и толщиной около четырех сантиметров, выведя наружу клеммы и переключатели. И это, как они сказали, было именно то, что надо». Баккен предполагал, что его прототип будет использоваться как экспериментальное устройство для тестирования на животных, и был поражен, увидев на следующий день свой прибор на пациенте. Лиллехай спокойно сообщил ему, что раз прибор работает, то время терять ни к чему, надо спасать жизни больных. Портативный электрокардиостимулятор оказался настолько удачным, что очень скоро его стали применять по всему миру, а Medtronic превратилась в крупнейшего поставщика.

Всего лишь год спустя 43-летнему больному из Швеции по имени Арне Ларссон поставили первый имплантируемый электрокардиостимулятор. Арне страдал от полной блокады сердца, и его смерть казалась неизбежной. Жена Арне, однако, смотрела на перспективу иначе. Она слышала об экспериментах, проводимых на собаках в Каролинской больнице в Стокгольме, и решила, что технология может спасти ее мужа. Ей удалось найти аргументы и убедить хирурга Оке Сеннинга и инженера Руне Элмквиста взяться за дело. Руне собрал электрокардиостимулятор у себя на кухне. Он отказал через три часа после имплантации, поэтому Арне получил новый прибор, который протянул уже несколько недель. Неудачи не смутили Арне, и в конечном итоге он получил 26 различных электрокардиостимуляторов. Электрокардиостимулятор позволил ему вести практически нормальный образ жизни, и Арне стал одновременно и пациентом-консультантом, и пропагандистом электрокардиостимуляторов по всему миру. Он умер через 43 года после имплантации первого электрокардиостимулятора, когда ему стукнуло 86. Готовность рискнуть и выступить в качестве подопытного кролика продлила ему жизнь в два раза[26].

Идея электрокардиостимулятора очень проста. Прибор подает слабые электрические сигналы, заменяющие собственные сигналы сердца. Чтобы это стало возможным, в правый желудочек сердца внедряют электрод. Обычно его вводят через одну из больших вен, но в некоторых случаях вскрывают грудную клетку, и электрод размещают непосредственно на поверхности сердца. Электрод затем подключают к электрокардиостимулятору, который генерирует слабые электрические разряды, задающие сердцу правильный ритм. Электрокардиостимулятор снабжают батареей и иногда электронной схемой, которая может регистрировать собственный ритм сердца больного и корректировать его по мере необходимости. Когда становится ясно, что устройство работает, его имплантируют в грудную клетку (обычно спереди, в районе плечевого сустава) между мышцей и подкожно-жировой клетчаткой. Первый электрокардиостимулятор, который получил Арне, был размером с хоккейную шайбу, а в наши дни они уменьшились до габаритов десятипенсовой монеты. Электрокардиостимуляторы необходимо заменять раз в пять-десять лет – в зависимости от срока службы батареи. Поскольку электромагнитное излучение может нарушить работу электрокардиостимулятора, больным, которые зависят от этого прибора, следует избегать сильных магнитных полей, сотовых телефонов и электронного оборудования, генерирующего ненаправленное электрическое поле.

Спасатели Пэкера

Всем, наверное, знакома типичная картина отделения экстренной помощи, где над пациентом колдует команда медиков, делающих все для спасения его жизни. Неожиданно регулярный звуковой сигнал кардиомонитора пропадает, нормальная кривая ЭКГ пропадает, появляется горизонтальная линия и кто-то выкрикивает: «Остановка сердца!» За этим следуют быстрые и решительные действия. В считаные секунды на грудь пациента накладывают большие плоские электроды, звучит команда «Отойти от больного!», и дают электрический разряд. Грудь пациента резко дергается, ритм сердца восстанавливается, и кардиомонитор вновь начинает подавать регулярные звуковые сигналы.

Но это драматическое действо далеко от реальности. Пациент обычно не дергается в ответ на электрический разряд. Подпрыгивание – это не более чем художественная вольность. Более серьезное отличие заключается в том, что в реальной жизни электрический разряд не используют для запуска остановившегося сердца. Эффектное возвращение к жизни – обычное дело в современной медицине, но только не в случае остановки сердца, а в случае его фибрилляции, когда желудочки сокращаются настолько несинхронно, что сердце превращается в судорожно подергивающийся комок плоти, неспособный перекачивать кровь. И электрический ток используется вовсе не для запуска сердца, а для его остановки. Как уже говорилось, это делается в надежде, что после самопроизвольного запуска сердца клетки природного водителя ритма в синусном узле возобновят свою работу и нормальный ритм восстановится.

Не исключено, что это широко распространенное заблуждение возникло в результате использования термина «остановка сердца». Он, однако, вовсе не подразумевает, как можно предположить, что сердце перестало сокращаться и находится в неподвижном состоянии. Это лишь указание на то, что прекратилась циркуляция крови. Хотя индивидуальные клетки сердца продолжают сокращаться, они делают это несинхронно, так что сердце перестает выполнять роль насоса. Из-за отсутствия кислорода в течение нескольких минут погибает мозг, и в конечном итоге по той же причине перестает биться и само сердце. Если остановка сердца произошла не в больнице, то больному необходимы искусственное дыхание и непрямой массаж сердца, чтобы поддерживать жизнеспособность до тех пор, пока не будет доставлен дефибриллятор. Искусственное дыхание и сжатие сердца выполняются путем нажатия на грудную клетку основаниями ладоней, кровь при этом выталкивается из сердца и циркулирует по телу. Здесь принципиально важна частота нажатий – если она будет слишком высокой, то сердце не будет успевать наполниться кровью, если слишком низкой, то ткани будут страдать от кислородного голодания. Правильная частота – 100 нажатий в минуту. Как ни удивительно, но хит британской музыкальной группы Bee Gees под названием «Остаться в живых» имеет практически правильный ритм и используется как помощь в обучении врачей. Хотя хит группы Queen «Еще один повержен в прах» тоже имеет практически идеальный ритм, он подходит для обучения не так хорошо.

Дефибрилляторы не входили в состав обязательного оснащения автомобилей скорой помощи в Австралии до 1990 г. Ситуация изменилась, когда у Керри Пэкера, известного своим скандальным и эпатажным характером миллиардера, случилась остановка сердца во время игры в поло. Совершенно случайно в скорой помощи, дежурившей у поля, оказался портативный дефибриллятор. Несмотря на клиническую смерть, продолжавшуюся несколько минут, Пэкер выжил. Говорят, что о своих впечатлениях после пребывания в состоянии клинической смерти он высказался так: «Дьявола я там не увидел. Но я не нашел там и рая». После своего спасения Пэкер пожертвовал крупную сумму (2,5 млн австралийских долларов) на оборудование половины автомобилей скорой помощи в штате Новый Южный Уэльс портативными дефибрилляторами с условием, что правительство оплатит оборудование второй половины автомобилей. С той поры в австралийском обиходе эти приборы называют «спасателями Пэкера». Многие австралийцы обязаны жизнью его щедрому дару.

В последние годы применение дефибрилляторов расширилось, и появились такие модели, которыми могут пользоваться и те, у кого нет медицинской подготовки. В Великобритании их можно найти на железнодорожных станциях, в самолетах и других общедоступных местах. Хотя наиболее широко известны дефибрилляторы внешнего действия, электроды которых помещают на грудную клетку человека, существуют и небольшие имплантируемые устройства для тех, у кого высок риск возникновения фибрилляции. Они непрерывно контролируют ритм сердца и при необходимости производят удар электрическим током для его восстановления. Люди с имплантированными дефибрилляторами могут вести нормальный образ жизни, зная, что у них есть «встроенный спасатель». Эти приборы, похоже, дают довольно сильный разряд – говорят, что человек чувствует, будто его ударили в грудь.

В ад и обратно

В ноябре 2003 г. рок-певец Мит Лоуф, получивший наибольшую известность как исполнитель одной из ролей в фильме «Шоу ужасов Рокки Хоррора» и хита «Летучая мышь из ада», рухнул на сцену во время концерта в Уэмбли прямо на глазах публики. Его быстро доставили в больницу, где у него обнаружили редкую болезнь сердца, известную как синдром Вольфа – Паркинсона – Уайта. Позднее он рассказал, что «помнит, как пел песню “Все закрутилось” и шел туда, где стояли девушки, но вдруг стал падать». Лоуф решил, что у него случился сердечный приступ.

Синдром Вольфа – Паркинсона – Уайта – это врожденная патология, которой страдает 1–3 % населения. Обычно она создает проблемы только в тех случаях, когда сердце бьется очень часто, что случается при тяжелой физической нагрузке. Неожиданная смерть спортсменов в очень хорошей физической форме от остановки сердца, как, например, это произошло с хоккеистом Брюсом Мелансоном, нередко наступает именно из-за синдрома Вольфа – Паркинсона – Уайта. Другим страдающим этой патологией повезло больше. Ламаркус Олдридж, американский баскетболист, выступавший за Portland Trailblazers, был снят с игры против Los Angeles Clippers после жалоб на головокружение, одышку и нерегулярное сердцебиение. Позднее у него обнаружили синдром Вольфа – Паркинсона – Уайта. Приступ и у него, и у Мита Лоуфа был успешно снят.

В нормально функционирующем сердце электрические сигналы, генерируемые в предсердии, поступают в желудочки по специальному проводящему тракту, называемому предсердно-желудочковым узлом. У людей с синдромом Вольфа – Паркинсона – Уайта между предсердиями и желудочками расположен дополнительный мостик из ткани, который образует альтернативный канал для передачи электрических сигналов. Момент подачи электрического сигнала к желудочкам критически важен для правильного сердцебиения, и предсердно-желудочковый узел действует как диспетчер между предсердиями и желудочками, модулирующий распространение электрического импульса. Если предсердия сокращаются слишком часто, предсердно-желудочковый узел пропускает не все сигналы и не позволяет желудочкам сокращаться слишком часто. Дополнительный проводящий тракт, существующий у людей с синдромом Вольфа – Паркинсона – Уайта, не обладает свойствами предсердно-желудочкового узла и может таким образом спровоцировать высокий сердечный ритм. Кроме того, электрический сигнал между предсердиями и желудочками может закольцовываться, поступая через предсердно-желудочковый узел и возвращаясь через дополнительный проводящий тракт. Это приводит к очень высокой частоте сокращений желудочков, фибрилляции и внезапной смерти.

К счастью, синдром Вольфа – Паркинсона – Уайта в настоящее время успешно лечится путем очень простой и эффективной операции – в сердце вводят катетер, находят причиняющий неприятности паталогический мостик и разрушают его с помощью радиочастотных импульсов.

Электрическое сердце

При стимулировании сердечной клетки она испускает электрический импульс, или потенциал действия. Он быстро распространяется по поверхности клетки, а потом по сети тонких трубочек, глубоко проникающих в мышечное волокно. Изменение мембранного потенциала в положительную сторону заставляет открываться кальциевые каналы во внешней мембране и T-трубочках, обеспечивая приток ионов кальция из внеклеточного раствора. Они, в свою очередь, выполняют роль внутриклеточных мессенджеров, вызывающих выброс значительно большего количества ионов кальция из внутриклеточных хранилищ. В результате взаимодействия ионов кальция с сократительными белками мышечные клетки укорачиваются. Фактически электрический импульс обеспечивает одновременное повышение концентрации кальция по всей клетке и, таким образом, плавное и синхронное сокращения каждого мышечного волокна сердца.

Как и в случае нервных клеток, за генерирование электрических импульсов в клетках сердца отвечают ионные каналы. Однако в клетках сердца в формировании потенциала действия участвует намного больше типов каналов. Все начинается с открытия натриевых каналов. Они подобны, но не идентичны тем, что находятся в нервных клетках. Именно поэтому смертельные яды, например яд иглобрюха, в нервах блокируют электрические импульсы, а в сердце нет. Дефекты гена сердечных натриевых каналов (SCN5A) могут приводить к появлению натриевых каналов, которые не функционируют должным образом. В результате возникает редкая наследственная патология, так называемый синдром Бругада, при которой внезапное прекращение электрической активности сердца может приводить к смерти.

Синдром Бругада распространен по большей части в азиатском сообществе. На него приходится около 12 % случаев необъяснимой смерти, и он, если не считать несчастных случаев, является основной причиной смерти мужчин в возрасте до 40 лет в некоторых регионах мира. Так, он настолько обычен на Филиппинах, что даже имеет специальное название «бангунгут», означающее «вскакивание и стоны во сне». Повышенная частота неожиданных смертей во сне отмечается также в Японии и в Таиланде (где это явление называют «лаи таи», т. е. «смерть во сне»). Любопытно, что болезнь поражает мужчин намного чаще, чем женщин. Возможно, именно поэтому в Таиланде верят в то, что болезнь можно отвратить, если спать в женской одежде. Согласно местному поверью, молодые мужчины умирают потому, что их уносит дух вдовы, который можно обмануть, нарядившись женщиной. Поскольку дух охотится не за женщинами, эта хитрость должна защищать от смерти.

К открытию генетической причины синдрома Бругада привела встреча двух ученых, по воле случая оказавшихся рядом в автобусе, который вез в аэропорт участников завершившейся конференции по проблемам сердца. Когда Чарльз Анцелевич высказал удивление по поводу отсутствия страдающих этим видом нарушения сердечного ритма, его сосед сообщил ему, что на самом деле братья Бругада недавно описали именно такую редкую патологию. Результатом этой плодотворной встречи стало открытие того, что причиной синдрома Бругада является мутация с потерей функции в гене сердечных натриевых каналов. Сейчас нам известны уже полсотни мутаций, вызывающих это заболевание. Широким распространением этих мутаций среди населения Южной Азии и объясняется повышенная частота заболевания синдромом Бругада.

Открытие пор в натриевых каналах почти сразу сопровождается открытием кальциевых каналов, которые впускают в клетку ионы кальция, инициирующие выброс кальция из внутриклеточных депо и сокращение. Необходимость ионов кальция для сокращения сердца была открыта по счастливому стечению обстоятельств в начале 1880-х гг. Сиднеем Рингером. Рингер занимался поиском способа поддержания нормального ритма сокращений сердца лягушки. Для этого он добавлял определенные количества неорганических солей в дистиллированную воду, в которой совершенно не было ионов. По крайней мере он так думал. В реальности сам Рингер активно занимался медицинской практикой и был очень занятым человеком, поэтому растворы готовил его лаборант, который не всегда в точности соблюдал инструкции. В своей первой работе Рингер утверждал, что только ионы натрия и калия необходимы для сокращения сердца. Однако позднее он написал: «После публикации [первой работы]… выяснилось, что соляной раствор, который я использовал, был приготовлен не на дистиллированной воде, а на водопроводной воде, подаваемой New River Water Company. Поскольку эта вода содержала следы различных неорганических веществ, я сразу же провел испытание раствора, приготовленного на дистиллированной воде, и обнаружил, что он не дает эффекта, описанного в упомянутой работе. Похоже, что полученные ранее эффекты объясняются наличием каких-то неорганических примесей в водопроводной воде». Оказалось, что этой примесью был кальций, или «известь», как называл его Рингер. Хотелось бы знать, как он поступил со своим лаборантом, похвалил его или наказал (а может, сделал и то и другое)?

Кальциевые каналы важны не только потому, что они впускают ионы кальция, инициирующие выброс запасенного кальция. Эти каналы, помимо прочего, закрываются (инактивируются) медленно при положительных мембранных потенциалах, увеличивая продолжительность сердечного потенциала действия и, таким образом, давая сердцу больше времени на сокращение. Потенциал действия клетки желудочка длится примерно полсекунды, т. е. он в 500 раз продолжительнее, чем потенциал действия нервной клетки.

К окончанию сердечного потенциала действия приводит открытие калиевых каналов, и следующее за этим истечение ионов калия возвращает градиент потенциала на мембране к значению, характерному для состояния покоя. Как следствие, кальциевые каналы закрываются, приток кальция прекращается, и сердце расслабляется. В отличие от калиевых каналов нервных клеток многие калиевые каналы сердца открываются медленно, что способствует еще большему увеличению продолжительности потенциала действия в сердце. Кроме того, в сердце есть калиевые каналы нескольких типов. Одними из наиболее важных являются каналы HERG-типа. Это странное название каналов связано с названием аналогичного ионного канала плодовой мушки дрозофилы. Генетики очень любят это крошечное насекомое за его очень короткий жизненный цикл, плодовитость и возможность легко отделять мутантов. Поскольку мушки очень подвижны и не стоят на месте, их обычно усыпляют эфиром. В 1960-х гг., когда танцы в стиле гоу-гоу были на пике популярности, нашли мутантную мушку, которая дергала лапками и крутилась под наркозом. В результате ее окрестили «эфирной танцовщицей гоу-гоу» – ether-á-go-go, или для краткости EAG. Вскоре после этого был найден соответствующий канал в сердце, который назвали уже более прозаично – ether-á-go-go-related, или ERG. Так вот человеческий (human) канал и получил свое название HERG.

Напуганные до смерти

Неожиданный приступ Алекс, случившийся однажды утром, был связан с нарушением сердечного ритма в результате редкой мутации калиевого HERG-канала, которая делала его неработоспособным. Поскольку эти каналы необходимы для окончания сердечного потенциала действия, их потеря приводит к увеличению продолжительности потенциала действия и к увеличению интервала QT на электрокардиограмме. По очевидным причинам это заболевание называют синдромом удлиненного интервала QT, или синдромом LQT. Интервал QT иногда увеличивается очень незначительно, на 2–5 %, однако этого достаточно, чтобы спровоцировать нарушение сердечного ритма, известного как «желудочковая тахикардия типа “пируэт”». Название «пируэт» позаимствовано из балета и относится к искажению формы ЭКГ. Когда такое происходит, сердце теряет способность эффективно перекачивать кровь, в результате быстро наступает кислородное голодание мозга, и человек теряет сознание. Это объясняет, почему больные с синдромом LQT склонны к неожиданным помутнениям сознания. В некоторых случаях аномальная электрическая активность выливается в вентрикулярную фибрилляцию, которая может быть фатальной.

Симптомы синдрома LQT обычно начинают проявляться в подростковом возрасте. Они нередко провоцируются стрессом, например физической нагрузкой, испугом и волнением. Приступы случаются, когда люди бегут за автобусом, ныряют в бассейн, играют в бейсбол или участвуют в телевикторине. Они, как правило, совершенно неожиданны. Большинство больных никогда не жалуются на дурноту или головокружение, они просто теряют сознание. Примерно в третьей части случаев со смертельным исходом люди выглядят совершенно здоровыми и полными сил, а некоторые умирают во сне или при резком пробуждении по звонку будильника. Случаи внезапной сердечной смерти были известны еще Гиппократу, который отмечал, что «те, кто страдает от частых и глубоких обмороков без видимых причин, умирают неожиданно».

Некоторые мутации особенно серьезны, поскольку помимо проблем с сердцем приводят к глухоте: это связано с тем, что такие же ионные каналы находятся в ухе и от них зависит наша способность слышать. Одно из первых описаний приступа со смертельным исходом у человека с этим синдромом дал Мейсснер в 1856 г. Он подробно описал, как глухонемая девочка, посещавшая Лейпцигский институт, потеряла сознание и умерла после публичного обвинения в мелкой краже. Ее смерть произвела сильное впечатление на других детей, которые увидели в этом божественное наказание за плохое поведение. Когда о случившемся сообщили родителям, они не удивились. Как оказалось, в их семье и раньше случались подобные трагические события – один ребенок упал замертво после неожиданного потрясения, а другой скончался после приступа истерики.

Уход из жизни ребенка всегда разрывает сердце, но особенно тяжела неожиданная смерть внешне здорового младенца во сне. Такие ситуации отягощаются подозрениями в насильственном умерщвлении и не так уж редко приводят к привлечению родителей к ответственности и обвинению в убийстве. Однако даже и без этого незнание причины смерти собственного ребенка может стать проклятием всей жизни. Сравнительно недавно выяснилось, что в некоторых случаях причиной смерти младенцев являются мутации ионных каналов, обусловливающие предрасположенность к синдрому LQT, т. е. к неожиданной сердечной смерти. Однако какая доля неожиданных смертей младенцев связана с нарушением сердечного ритма, спровоцированным дефектными ионными каналами, остается тайной. Вместе с тем посмертное тестирование для выявления мутаций ионных каналов желательно не только с точки зрения определения причины смерти, но и потому, что другие члены семьи могут быть бессимптомными носителями той же мутации и, следовательно, находиться под риском.

К счастью, в настоящее время синдром LQT поддается лечению, которое позволяет больным вести сравнительно нормальный образ жизни. Лекарства, известные как бета-блокаторы, предотвращают влияние стресса на сердце и, как правило, обладают высокой эффективностью. Многим больным также имплантируют дефибрилляторы, которые реагируют на нарушение сердечного ритма и генерируют электрический разряд, восстанавливающий нормальное сердцебиение.

История терфенадина

Известно, что синдром LQT вызывают мутации во множестве разных генов, в том числе в генах как минимум шести видов ионных каналов (в большинстве своем калиевых). Однако синдром LQT не всегда имеет генетическое происхождение. Его могут также вызывать лекарства, которые блокируют ионные каналы сердца. Терфенадин является очень эффективным антиаллергическим средством, которое в Великобритании одно время отпускалось без рецепта. В 1985 г. было получено разрешение на его продажу в США, где оно получило название селдан. Лекарство быстро стало популярным, и к 1991 г. оно стояло на девятом месте по частоте назначения в Соединенных Штатах. Вместе с тем к этому времени стало известно о ряде случаев возникновения проблем с сердцем у людей, принимавших терфенадин в прописанной им дозировке, в том числе и об увеличении интервала QT с внезапной смертью. В большинстве случаев проблемы возникали у тех, кто принимал также определенные антибиотики, имел нарушения функции печени или уже страдал сердечно-сосудистыми заболеваниями. После этого фармацевтическая компания, выпускавшая лекарство, разослала 1,6 млн писем врачам и фармацевтам с рекомендацией не применять данное средство в описанных выше случаях. Позднее лекарство было вообще изъято из продажи.

Терфенадин обладает подобным побочным действием потому, что он блокирует калиевые HERG-каналы. У большинства людей он не создает проблем, поскольку быстро разрушается в печени с образованием промежуточного продукта обмена веществ, который не блокирует HERG, оставаясь при этом эффективным антиаллергическим препаратом. В результате того, что лекарство принимается перорально, оно сначала проходит через печень, поэтому сердца достигает очень небольшое количество терфенадина. Однако у людей с заболеваниями печени, у которых не хватает ферментов, разрушающих лекарство, или у тех, кто принимает лекарства или вещества (например, грейпфрутовый сок), ингибирующие эти ферменты, появляется риск возникновения нарушений сердечного ритма.

История терфенадина на этом не заканчивается. Очень быстро выяснилось, что многие другие лекарства тоже способны блокировать HERG и, таким образом, вызывать предрасположенность к проблемам с сердцем. В результате в 2001 г. Япония, США и Европейское сообщество постановили, что все новые лекарства должны проверяться на отсутствие влияния на HERG. Последние директивные материалы требуют проведения исследований не только на изолированных клетках и тканях, но и на людях (необходимы тысячи ЭКГ). Изменение регулирования привело к появлению массы небольших биотехнологических компаний, занимающихся HERG-тестированием, и к резкому повышению стоимости разработки лекарств, поскольку многие из них не выдерживают тестирования. Некоторые фармацевтические компании, лекарства которых уже находились на более поздних стадиях испытаний, но, как выяснилось, взаимодействуют с HERG, понесли очень значительные убытки.

Мое сердце трепещет

Она: Доктор, со мною что-то не так.

Он: В самом деле? Что случилось?

Она: Каждый раз, когда рядом оказывается мужчина.

Он: Ну и?

Она: Мое лицо заливает краска,

А сердце начинает отчаянно колотиться:

Бум буди-бум буди-бум буди-бум

Буди-бум буди-бум буди-бум буди-бум.

Так начинается песня знаменитого дуэта, Софи Лорен и Питера Селлерса. Это очень знакомое чувство: у каждого из нас не раз сердцебиение учащалось в результате волнения или испуга, а сердце колотилось так, будто оно вот-вот разорвется.

Такой результат дает выброс гормона адреналина, определяющего реакцию «бей или беги». Адреналин помогает организму справиться с неблагоприятной ситуацией путем повышения частоты и силы сокращений. С этой целью он открывает дополнительные кальциевые каналы в мембранах клеток сердца. Как следствие уменьшается интервал между импульсами, генерируемыми клетками синусного узла, частота сердцебиения повышается, а также резко увеличивается количество кальция, который выбрасывается из внутриклеточных хранилищ, увеличивая силу сокращения. Адреналин вырабатывается железами, расположенными прямо над почками, и выделяется в кровь в ответ на стресс или физическую нагрузку. Родственное вещество, обладающее аналогичным действием, норадреналин, выделяется нервами, которые возбуждают сердце.

Хотя повышение частоты сердцебиения во время физической нагрузки принципиально важно для адекватного снабжения мышц конечностей топливом и кислородом, слишком высокий ритм вреден. Все дело в том, что сами сердечные мышцы при этом не получают достаточного количества кислорода. Результат – стенокардия, сильная боль в груди, которая может отдавать в левую руку. Стенокардия чаще возникает у людей, коронарные кровеносные сосуды которых сужены из-за атеросклеротических бляшек (жировых отложений на стенках сосудов). Вследствие этого тест на физическую нагрузку нередко используют для оценки состояния коронарных сосудов. Стенокардия возникает не только в результате физической перегрузки, ее может спровоцировать вспышка гнева, волнение или сильные эмоции. Я очень хорошо помню, как во время плавания по каналу из Эймёйдена в Амстердам на небольшой яхте на ее винт намотался обрывок сети и сделал двигатель бесполезным. Этот канал является крупнейшей транспортной артерией, и движение судов там очень интенсивное. Огромные тяжелогруженые и неповоротливые баржи приближались к нам с двух сторон. Пока я пыталась поставить паруса, а мой напарник нырял под дно с ножом в руке, чтобы освободить винт, у капитана случился приступ стенокардии. Он спустился в каюту, раздавил стеклянную ампулу с амилнитритом (или нитроглицерином) и некоторое время вдыхал его пары. Это сняло боль, коронарные сосуды расширились, и приток крови к сердцу усилился.

Нитроглицерин выделяет газ оксид азота, который стимулирует выработку химического вещества, циклического гуанозинмонофосфата, вызывающего расширение кровяных сосудов. Виагра (силденафил цитрат) имеет аналогичное действие: повышая уровень циклического гуанозинмонофосфата в сосудах пениса, она вызывает их расширение и эрекцию. Вместе с тем при одновременном приеме обоих препаратов их действие может суммироваться и приводить к расширению кровяных сосудов всего организма и, как следствие, к резкому падению давления. Так что мужчинам, принимающим нитроглицерин для снятия приступов стенокардии, следует избегать виагры. Интересно, что виагра была открыта случайно учеными, которые занимались поиском средств против стенокардии. Она оказалась не слишком эффективной при клинических испытаниях, и ее наверняка забраковали бы, если бы несколько мужчин, участвовавших в испытаниях, не отказались прекратить прием лекарства из-за необычного (и неожиданного) побочного эффекта.

При учащенном сердцебиении нередко принимают бета-блокаторы. Они ингибируют действие адреналина, предотвращая его присоединение к бета-адренорецепторам в мембране клеток сердца и, таким образом, увеличение частоты сокращений сердца. Бета-блокаторы, однако, могут давать очень неприятный побочный эффект: у некоторых мужчин эти препараты вызывают импотенцию{17}. Такие случаи, впрочем, встречаются относительно редко, и, как ни удивительно, исследования показывают, что они чаще наблюдаются у мужчин, которые знают о побочном эффекте бета-блокаторов. Не исключено, что проблема в определенной мере связана с опасениями. Похоже, это один из тех случаев, когда слишком много знать опасно.

Сердце мое, успокойся

Выделяемые нервами химические вещества, которые возбуждают сердце, могут также замедлять темп сердцебиения, а иногда и полностью останавливать сердце. В 1994 г. я поехала в Хьюстон, штат Техас, для участия в научной конференции. Перелет был длинным и утомительным, а в Хьюстоне стояла невероятная жара, но я все же решила пойти на прием по случаю открытия. После бокала (ну, может быть, двух бокалов) вина у меня подогнулись ноги, перед глазами все поплыло, а голова, казалось, вот-вот взорвется. Следующее, что я помню, это черный туннель в огромном полированном холме, который постепенно превратился в носок мужского ботинка. Потом в поле моего зрения появилось множество ботинок. Я лежала на полу вся в холодном поту и смотрела на ноги своих коллег. Впервые в жизни у меня случился обморок. Причина была простой: резкое повышение активности тормозных нервов моего сердца временно остановило его. Как следствие, мозг перестал получать кислород, и я потеряла сознание. После падения на пол подача крови возобновилась, и сознание вернулось.

За замедление частоты сердцебиения отвечает химический нейромедиатор ацетилхолин. Его выделяют окончания ответвлений блуждающего нерва, который идет от мозга к сердцу (в числе других органов). Ацетилхолин присоединяется к мускариновым рецепторам клеток синусного узла. Такое название эти рецепторы получили потому, что они активируются также мускарином, веществом, встречающимся в некоторых грибах, в том числе в знакомом всем мухоморе Amanita muscaria. Присоединение ацетилхолина к мускариновым рецепторам (которые отличаются от ацетилхолиновых рецепторов скелетных мышц) инициирует цепочку реакций, приводящих в конечном итоге к открытию калиевых каналов. Это позволяет ионам калия уходить из клетки, сдвигая ее внутренний потенциал в отрицательную сторону. Как и в нервных клетках, в результате этого натриевые и кальциевые каналы закрываются, снижая электрическую активность и замедляя частоту сердцебиения.

Сердце постоянно испытывает небольшое тормозящее воздействие блуждающего нерва, именно поэтому в состоянии покоя частота сердцебиения ниже спонтанной частоты импульсов задающих ритм клеток синусного узла. У тех, кто перенес трансплантацию сердца, влияние нервов полностью отсутствует, поскольку блуждающий нерв перерезается во время операции, и как результат частота сердцебиения в состоянии покоя у них выше нормальной.

Атропин блокирует действие ацетилхолина в мускариновых рецепторах и используется в медицинской практике для снижения эффекта нейромедиатора у больных с очень низкой частотой сердцебиения или у тех, чье сердце фактически остановилось. Он помогает ускорить сокращения сердца. В больших количествах, однако, атропин является смертельным ядом. Своим названием он обязан имени самой страшной из трех богинь судьбы в греческой мифологии, Атропос, которая перерезает нить жизни и чью руку невозможно остановить.

Атропин также ингибирует мускариновые ацетилхолиновые рецепторы в других тканях. Один из его самых известных эффектов – это расширение зрачка глаза. Блестящие глаза с расширенными зрачками воспринимаются как более сексуально привлекательные, возможно потому, что оргазм также приводит к расширению зрачков. Атропин широко использовали в косметических средствах дамы при дворе королевы Елизаветы. Они получали его из блестящих черных ягод беладонны, смертельно опасного растения, именно поэтому латинское название беладонны – Atropa belladonna – переводится как «прекрасная дама». Все части этого растения ядовиты для людей, однако птицы могут поедать его семена без всякого вреда для себя. Атропин и его производные используются в сегодняшней медицинской практике для расширения зрачка глаза при обследованиях, в частности при обследовании глазного дна. Не исключено, что его эффект знаком и вам – это лекарство делает глаза очень чувствительными к свету (поскольку мышцы радужной оболочки теряют способность сокращаться при ярком освещении). Как результат человек начинает щуриться на солнце, и ему не рекомендуют садиться за руль.

Скачущее сердце

Достаточно лишь разок пробежаться вдогонку за автобусом, чтобы сполна ощутить, какой эффект это физическое упражнение оказывает на частоту сердцебиения. У людей максимальная частота сокращений сердца составляет порядка 200 ударов в минуту, что приблизительно в три раза выше частоты сокращений в состоянии покоя. Частота сердцебиения у других существ может быть намного выше – у колибри, например, во время полета она достигает 1200 ударов в минуту. Такое повышение сердечного ритма происходит в результате выброса норадреналина симпатическими нервами, возбуждающими сердце, и повышения уровня циркулирующего в крови адреналина. Хотя у людей с пересаженным сердцем частота сердцебиения увеличивается в ответ на физическую нагрузку, это происходит более медленно из-за того, что сердце реагирует только на адреналин в крови, а для его выброса в кровь требуется больше времени. Тормозящий эффект ацетилхолина, выделяемого блуждающим нервом, снимается во время физической нагрузки и восстанавливается после ее прекращения: этого не происходит у людей с пересаженным сердцем, поэтому у них сердечный ритм медленнее возвращается в нормальное состояние после прекращения физической нагрузки.

Максимальная частота сердцебиения зависит от возраста (она снижается с годами), однако примерно одинакова у всех людей независимо от их физической формы. Что меняется, так это максимальный объем перекачиваемой крови. У спортсменов частота сердцебиения в состоянии покоя ниже, поскольку регулярные физические нагрузки приводят к увеличению размера сердца и, таким образом, к повышению объема крови, перекачиваемого при каждом сокращении. Как следствие, сердцу требуется меньше сокращений, чтобы перекачать такой же объем крови. Несмотря на одинаковую максимальную частоту сокращений, у спортсменов сердце перекачивает намного больше крови при физической нагрузке, чем у ведущих сидячий образ жизни, – более крупное сердце дает им конкурентное преимущество.

Тихий убийца

Хлорид калия – очень эффективное средство, останавливающее сердце. Он действует быстро, бесшумно, почти не оставляет следов и, как говорят, не причиняет страданий (хотя кто это может подтвердить?). Именно поэтому он является излюбленным средством умерщвления в детективных романах вроде «Лучше не возвращаться» Дика Фрэнсиса, где и лошадей, и людей травили путем впрыскивания раствора хлорида калия. В романе «Лучше не возвращаться» вещество покупали в специализированной компании, однако на практике его очень легко может добыть каждый – оно широко доступно и продается как заменитель соли с низким содержанием натрия. Убийство с помощью хлорида калия – это не художественный вымысел: известен целый ряд случаев, когда медсестер обвиняли и даже осуждали за противозаконное убийство пациентов путем инъекций хлорида калия.

Внутривенное вливание хлорида калия после анестезии, погружающей жертву в сон, используется также законно для приведения в исполнение смертных приговоров в некоторых штатах. Доктор Джек Кеворкян применял его в своем «танатроне»{18}, устройстве для эвтаназии, с помощью которого он помогал уйти из жизни смертельно больным. Доктора Кеворкяна приговорили к тюремному заключению в 1998 г. за убийство второй степени. В это трудно поверить, но хлорид калия в качестве средства для самоубийства пропагандировал бывший немецкий политик Роджер Куш.

Но почему хлорид калия вызывает остановку сердца? При высокой концентрации он деполяризует клетки сердца настолько, что натриевые и кальциевые каналы выключаются (инактивируются). Поскольку эти поры закрыты, потенциал действия не генерируется, и сердце просто останавливается. Однако при медленном вливании хлорида калия сердцебиение, скорее всего, сначала ускоряется, затем наступает вентрикулярная фибрилляция, и только после этого сердце останавливается.

Интересно отметить, что уровень концентрации калия в крови повышается во время физических нагрузок в результате выхода ионов калия из работающих мышц. При сильном физическом напряжении этот уровень бывает достаточным, чтобы остановить сердце. И все-таки мало у кого сердце останавливается во время пробежки. Причина этого ясна не до конца, но по одной из версий все дело в защитном эффекте гормона адреналина, уровень которого также повышается при физических нагрузках. Если концентрация калия в крови не снизится достаточно быстро после прекращения нагрузки, то у человека может развиться сердечно-сосудистый коллапс. Именно поэтому сердечные приступы случаются чаще после завершения партии в сквош, а не во время игры.

Виртуальное сердце

Сейчас мы знаем большинство типов ионных каналов, определяющих электрическую активность сердца. Их очень много. У разных видов сердечных клеток могут быть разные комплекты ионных каналов, а плотность и активность каналов одного типа могут варьировать в зависимости от расположения клеток в сердце. В результате очень трудно предсказать, что произойдет с электрической активностью отдельно взятой клетки при модификации конкретного ионного канала, не говоря уже об электрической активности всего сердца. Здесь неоценимую помощь оказывают компьютерные модели.

Ключевой целью нынешних исследований в области кардиологии является создание компьютерной модели сердца, работающей в реальном масштабе времени. Первенство в этой сфере принадлежит Денису Ноблу, профессору из Оксфорда. Его «виртуальное сердце» довольно хорошо моделирует нормальное сердцебиение, эффекты сердечного приступа, генетические мутации, которые вызывают заболевания у людей, и действие лекарств, блокирующих HERG-каналы. В некоторых случаях к ней обращаются даже фармацевтические компании, чтобы понять механизм действия новых лекарств.

Несколько лет назад, когда модель была еще не так хорошо отработана, компания Roche попросила Нобла лично поприсутствовать на слушаниях в Администрации по контролю за продуктами питания и лекарствами в Филадельфии. К своему удивлению, он увидел, что задние ряды в зале были заполнены трейдерами, которые сжимали в руках телефоны и ловили каждое слово. Цена акций Roche на Уолл-стрит двигалась вверх или вниз в зависимости от того, какие новые факты раскрывались и передавались в Нью-Йоркскую фондовую биржу. После выступления профессора один из чиновников заявил: «Я голосую двумя руками за эту программу». «Никаких проблем, – прозвучало в ответ, – но вам придется купить суперкомпьютер стоимостью £5 млн [£10 млн в нынешних ценах], чтобы работать с нею».

Вычислительные мощности увеличиваются настолько быстро, что сегодня для использования этой модели нужен обычный настольный компьютер. Однако моделирование сердечной активности в реальном масштабе времени (именно этого хотелось бы фармацевтическим компаниям) по-прежнему неосуществимо на большинстве современных суперкомпьютеров (по крайней мере на текущий момент).

Глава 8

Жизнь и смерть

Жизнь и смерть балансируют на лезвии бритвы.

Гомер. Илиада

В 1970 г. примерно 15 % урожая кукурузы в США было потеряно в результате эпидемии глазковой пятнистости листьев кукурузы, вызываемой грибком Bipolaris maydis. По оценкам, в тот год недополучили один миллиард бушелей кукурузы стоимостью более миллиарда долларов, и множество мелких фермеров просто разорились. Об этом заболевании в США впервые официально сообщили в 1969 г., однако тогда его очаги были изолированными, и ему не придали значения. Ситуация кардинально изменилась в 1970 г. Теплая, влажная погода в тот год создала идеальные условия для быстрого распространения грибка. Эпидемия, начавшаяся во Флориде, к июню охватила Алабаму, южную часть Луизианы, значительную часть бассейна Миссисипи и частично Техас. К сентябрю заболевание распространилось по всему «кукурузному поясу», включая Висконсин на севере и Канзас на западе.

Оно нанесло очень значительный урон урожаю. Первым признаком заражения было появление бурых пятен на листьях, а потом желтело все растение. В самых тяжелых случаях початки кукурузы загнивали, опадали и разваливались на части при ударе о землю. Некоторые поля были настолько сильно поражены, что во время уборки урожая черные облака спор клубились над машинами.

Такой опустошительный эффект глазковой пятнистости листьев кукурузы был результатом сочетания токсина, выделяемого грибком, и ионного канала, который встречается только в автостерильных линиях кукурузы. Заболевание приобрело характер эпидемии в 1970 г. из-за того, что в тот год большинство площадей было засеяно кукурузой автостерильного типа. Причина такого генетического единообразия уходит корнями в 1800-е гг. Как и многие другие растения, кукуруза является обоеполой и имеет как мужские, так и женские части. Мужские части – метелки на верхушке растения – рассеивают в воздухе пыльцу. Женские части, находящиеся в початке, превращаются в кукурузное зерно после опыления. Дикая кукуруза – самоопыляемое растение, самоопыляются и большинство культурных растений из-за того, что мужские и женские части находятся близко друг к другу. Однако самая лучшая кукуруза является гибридной и получается, когда женские части опыляются пыльцой растений другой линии. Этот эффект был открыт в конце XIX в. после того, как селекционеры заметили, что гибридные растения оказываются более высокими и сильными, чем любой из их родителей, а главное, имеют более крупные початки и зерна. Постепенно гибридную кукурузу стали использовать повсеместно. Более высокое качество гибридного зерна произвело на фермеров большое впечатление, а продавцы посевного материала всячески поощряли использование гибридов, поскольку это заставляло фермеров покупать новое посевное зерно каждый год.

Для получения гибридных растений нужно предотвратить самоопыление. Исторически этого добивались удалением метелок вручную. Эта операция крайне трудоемка и утомительна, поскольку ее необходимо проводить каждый год на многих тысячах растений. Неудивительно, что селекционеры пришли в восторг, когда нашлись разновидности кукурузы, не дававшие пыльцы. Они сразу поняли, что эти растения, обладающие, как говорят, цитоплазмической мужской стерильностью (ЦМС), должны идеально подходить для перекрестного опыления. Семеноводческие компании очень быстро перешли на них. Все, что нужно было, это посадить растения с ЦМС рядом с растениями-опылителями, остальное делал ветер: растения с ЦМС давали только гибридное зерно. Но такое удобство имело свою цену, о которой селекционеры даже не подозревали. В отличие от нормальных растений стерильные ЦМС-разновидности были восприимчивы к глазковой пятнистости листьев кукурузы, поскольку их клетки имели специфический тип ионных каналов.

Как показывает эта история, ионные каналы есть не только в клетках, возбуждаемых электрическими импульсами, вроде нервных и мышечных клеток. Они имеются в каждой клетке нашего организма и любого другого организма на Земле, от самой примитивной бактерии до гигантских калифорнийских секвой, и они регулируют все, что мы делаем.

Сперматозоиды с турбоподзарядкой

Ионные каналы начинают играть критическую роль в нашей жизни еще до зачатия, поскольку они влияют на результаты великой гонки сперматозоидов. Тяжелое состязание с единственным победителем – это первая и самая важная гонка, в которой мы когда-либо участвовали и которую каждый из нас (или, скорее, определенная часть каждого из нас) выиграл.

Сперматозоиды должны плыть после эякуляции, прокладывая себе путь к яйцеклетке с помощью извивающегося жгутика. По мере того как они продвигаются из вагины в верхние отделы женских половых путей, окружающая их среда становится более щелочной, а концентрация гормона прогестерона повышается. В результате ритм движений жгутика сперматозоида переключается на более низкую частоту, они становятся более медленными, размашистыми и энергичными и ускоряют перемещение сперматозоида. Это своего рода турбоподзарядка в последний момент, как раз тогда, когда сперматозоиду необходима дополнительная энергия. Без нее сперматозоид не может сделать рывок и пройти через оболочку, окружающую яйцеклетку. Изменение ритма движения жгутика сперматозоида происходит в результате открытия специального ионного канала, называемого Catsper.

Catsper – любимый канал Дэвида Клэпхема, ученого из Гарварда с острым умом, озорной улыбкой и черным юмором. Его коллега Дэцзянь Рен, штудируя базу данных по международному проекту «Геном человека» в поисках пропущенных сокровищ, наткнулся на новый ионный канал, который существует только в мужских половых железах. Эта находка сразу же привлекла внимание Клэпхема, и вскоре сперматозоиды во всех их проявлениях заняли центральное место в исследованиях лаборатории. «Они имеют, – говорит Клэпхем, – все, что положено нервным клеткам, и кое-что еще: у них есть ионные каналы, они возбуждаются, они чувствительны к химическим веществам в окружающей их среде, они двигаются и делают это более энергично около яйцеклетки, ну прямо как мужчины, суетящиеся вокруг женщин».

Канал Catsper – один из самых сложных в человеческом геноме. Пора канала образуется четырьмя разными белками, и она связывается с различными видами вспомогательных белков. Если хотя бы один из них отсутствует, то канал перестает функционировать, сперматозоид перестает переключаться на более энергичные движения жгутика, и наступает бесплодие. Поскольку Catsper имеется только у сперматозоидов, лекарственные средства, блокирующие канал, становятся идеальным контрацептивом. В отличие от более знакомых противозачаточных таблеток они не должны оказывать влияния на женскую гормональную систему, и их не нужно принимать перорально. Однако такое средство не будет долгожданным мужским контрацептивом. Его опять придется принимать женщинам, но не потому, что это дает уверенность в защите, а потому, что это в их половых путях происходит изменение движения сперматозоидов.

Не все сперматозоиды имеют каналы Catsper. Их нет у гигантского сперматозоида крошечной плодовой мухи Drosophila bifurca, который скорее ползет, а не плывет по половому пути самки. У этих левиафанов самый длинный жгутик на Земле. Его длина достигает почти 6 см, он в 600 с лишним раз больше сперматозоида человека и в 20 раз больше самой мухи. Зачем в процессе эволюции развился такой гигантский жгутик, остается загадкой. По одной из гипотез жгутик, скрученный спиралью, образует пробку, которая полностью перекрывает половой путь самки и таким образом не позволяет войти в него другим сперматозоидам. Конкуренция между сперматозоидами за возможность передачи ДНК очень сильна, даже между теми, которые принадлежат одной мужской особи.

У цветковых растений другая проблема, связана она с тем, что их сперматозоиды не способны двигаться и находятся в пыльцевых зернах, предотвращающих обезвоживание. Тем не менее и у растений ионные каналы способствуют оплодотворению. Когда пыльцевое зерно опускается на поверхность женского репродуктивного органа растения (рыльце), оно выбрасывает длинную пыльцевую трубку, которая растет в направлении яйцеклетки и несет с собой сперматозоид. Достигнув яйцеклетки, трубка разрывается и выпускает сперматозоид. Так вот, к разрыву пыльцевой трубки приводит химическое вещество, выделяемое клетками, которые окружают яйцеклетку. Это вещество открывает ионный канал в мембране пыльцевой трубки, в результате чего возникает приток ионов калия, которые втягивают вместе с собой воду, заставляя трубку набухать и разрываться. Освободившись из заточения в пыльцевой трубке, сперматозоид оплодотворяет яйцеклетку.

Создание барьеров

Жизненно важно, чтобы яйцеклетку оплодотворял только один сперматозоид, поскольку клетка, получившаяся в результате оплодотворения несколькими сперматозоидами, не может развиваться нормально. Поэтому у яйцеклетки есть система защиты, благодаря которой она принимает только первый прибывший сперматозоид, а всех остальных кандидатов отвергает. Процесс создания преграды для полиспермии впервые был изучен на яйцеклетках морских ежей, с которыми легче работать из-за их больших размеров. Иногда они бывают настолько большими, что их видно невооруженным глазом. В далеком 1976 г., еще студентом, Ринди Джаффи обнаружил, что, как только первый сперматозоид проникает в яйцеклетку морского ежа, потенциал на внутренней стороне ее мембраны резко меняется с отрицательного на положительный. Возникающая в результате этого разность потенциалов предотвращает проникновение других сперматозоидов в яйцеклетку.

Неожиданностью для ученых стало то, что яйцеклетки млекопитающих имеют другой механизм защиты. У них, как оказалось, преграда для полиспермии является не электрической, а физической – механический барьер, который медленно формируется после оплодотворения. Различие стратегий обусловлено совершенно разными средами, в которых происходит оплодотворение. В океане множество миллионов сперматозоидов практически одновременно достигают яйцеклетки, поэтому электрическая преграда для полиспермии идеальна – ее можно создать практически мгновенно. У млекопитающих в результате долгого и трудного путешествия по половым путям самки до яйцеклетки добираются лишь несколько сперматозоидов, и это очень редко случается одновременно. Здесь вполне уместен более медленный механизм защиты.

Жизнь из смерти

Ая Солиман появилась на свет самым необычным образом – она родилась путем кесарева сечения через два дня после того, как была зафиксирована смерть мозга ее матери Джейн. У Джейн, бывшей чемпионки по конькобежному спорту, произошло смертельное кровоизлияние в мозг, когда она была на 25-й неделе беременности. Ее перевезли вертолетом в больницу Оксфорда, но она скончалась вскоре после прибытия. Хотя мозг Джейн умер, врачи решили поддержать жизнь ее организма, чтобы выиграть время, необходимое для созревания легких плода.

В утробе матери плод плавает в мешке, наполненном водой. Его легкие заполнены жидкостью, он не может дышать воздухом и получает кислород через пупочный канатик, который связывает его с плацентой. Во время родов вода должна быстро удаляться из легких, когда новорожденный ребенок начинает дышать воздухом. Это достигается с помощью специальных эпителиальных натриевых каналов (ENaC) в клетках, выстилающих легкие. В момент рождения каналы ENaC открыты, и ионы натрия в легочной жидкости текут по направлению нисходящего градиента концентрации в клетки легких. Поскольку ионы натрия увлекают за собою воду, легкие быстро осушаются. Пока в них существуют и функционируют каналы ENaC, они быстро освобождаются от любой жидкости. Без каналов ENaC младенцы рискуют захлебнуться собственной жидкостью в момент рождения, и многие страдают от синдрома «влажных» легких.

В процессе нормального развития плода повышение концентрации стероидных гормонов запускает процесс формирования каналов ENaC за несколько недель до родов, обеспечивая полное созревание легких к моменту появления младенца на свет. На 25-й неделе беременности, однако, легкие еще не развиты полностью, и количество каналов ENaC в клетках, выстилающих легкие, слишком мало. Поверхностно-активного вещества, так называемого легочного сурфактанта, которое снижает поверхностное натяжение в альвеолярных мешочках легких и предотвращает их сжатие, также мало. Таким образом, при подготовке к преждевременным родам матери вводят стероиды, если ее состояние позволяет сделать это. Стероиды поступают через плаценту к плоду и обеспечивают созревание легких недоношенного ребенка. Поскольку материнская утроба является оптимальным инкубатором для младенца, функционирование организма Джейн поддерживали с помощью аппарата искусственного жизнеобеспечения, пока вводили стероиды, повышавшие шансы на спасение ее дочери.

У этой истории есть продолжение. Как оказалось, более полному открытию каналов ENaC способствует гормон стресса адреналин, содержание которого в крови матери во время родов резко повышается. Это может объяснять, почему дети, рожденные с помощью кесарева сечения, т. е. без такого стимула, чаще испытывают трудности с очисткой легких, чем родившиеся естественным путем, и почему у них чаще наблюдаются респираторные осложнения в постнатальный период.

Повышение давления

Задачи каналов ENaC не ограничиваются лишь теми, что они выполняют при рождении ребенка. Они играют ключевую роль в регулировании количества натрия в крови человека и, следовательно, определяют наше кровяное давление. Если каналы ENaC перестают функционировать должным образом, кровяное давление может подскочить и создать угрозу инсульта.

Наши почки – это сложнейший аппарат, очищающий кровь, непрерывно отделяющий токсины и продукты жизнедеятельности, а также удаляющий избыточную воду. Удаление продуктов жизнедеятельности происходит примерно в миллионе отдельных функциональных единиц почек, называемых нефронами, где пучки тончайших кровеносных сосудов, капилляров, переплетаются с крошечными канальцами, которые выполняют роль мочесборников. Это поразительно, вся кровь человека проходит через почки дважды в час. Красные кровяные тельца и белки плазмы крови остаются в капиллярах, а соли и вода выталкиваются в почечные канальца. Почти весь выделенный натрий и значительная часть воды всасываются обратно по мере продвижения жидкости по почечным канальцам. То, что остается, собирается в мочевом пузыре и выделяется из организма в виде мочи.

Каналы ENaC в мембранах клеток почечных канальцев обеспечивают обратное всасывание натрия. Как и в легких, поток ионов натрия увлекает за собой воду, а это приводит к увеличению объема крови и, из-за того, что система кровообращения является замкнутой, повышает кровяное давление. Диета, богатая солью (хлоридом натрия), вредна для организма, поскольку натрий приносит с собою воду, повышает объем крови и, как следствие, кровяное давление. И наоборот, если уровень натрия в крови низок, то организм удерживает мало воды, и кровяное давление падает. Именно поэтому так важно потреблять достаточное количество соли в жаркую погоду, когда много соли выводится с потом.

Мутации любого из трех генов, которые кодируют канал ENaC, влияют на кровяное давление. Те, что приводят к повышению активности каналов ENaC, вызывают врожденную форму гипертонии, так называемый синдром Лиддла, ну а те, что уменьшают активность, понижают давление. Последнее особенно опасно для новорожденных и грудных детей, так как вызывает у них опасный для жизни адреногенитальный синдром с потерей солей. В результате уменьшения поглощения натрия в организм поступает меньше воды, организм ребенка быстро обезвоживается и нарушается баланс концентрации других ионов в крови (в частности, ионов калия). Это заболевание смертельно, если его быстро не выявить и не начать лечение.

К счастью, мутации в каналах ENaC встречаются редко. Тем не менее считается, что одной из причин заметно большего числа страдающих высоким давлением среди чернокожих людей, чем среди европеоидов, является сравнительно более широкое распространение изменений в генах каналов ENaC, определяющих предрасположенность к повышенному поглощению натрия. С чем это связано, непонятно, но по одной из гипотез у людей, живущих вблизи Сахары, развился другой механизм поглощения соли, которая там дефицитна. Хотя это качество полезно, когда соль поступает в организм лишь изредка, в современном мире, где многие готовые блюда содержат очень много соли, оно становится недостатком.

Соленая история

В Средние века верили, что, поцеловав ребенка в лоб, можно предсказать его судьбу – соленый лоб считался признаком порчи и угрозы преждевременной смерти. Вместе с тем связь между соленой кожей и ранней смертью не миф, соленая кожа – первое проявление болезни, которую сейчас называют муковисцидозом (кистозным фиброзом). У людей, страдающих этим заболеванием, очень соленый пот и не вырабатываются некоторые пищеварительные ферменты. Но хуже всего то, что их легкие забиваются густым и липким слизистым секретом, который затрудняет дыхание и вызывает хроническую инфекцию, воспаление и медленно прогрессирующее разрушение легких. Это заболевание до сих пор неизлечимо. Оно угрожает жизни, и, несмотря на все современные технологии, более половины страдающих им не доживают до 40 лет.

Муковисцидоз был признан самостоятельным заболеванием в 1938 г., когда Дороти Андерсен опубликовала первое детальное описание расстройства. Несколькими годами позже во время аномально жаркой погоды в Нью-Йорке врач-педиатр Пол ди Сант-Аньезе обратил внимание на то, что многие дети, попавшие в больницу из-за теплового удара, страдали муковисцидозом. Он предположил, что тепловой удар у них провоцировался чрезмерной потерей соли, и сделал анализ потовыделений. В них оказался аномально высокий уровень хлорида натрия. С тех пор и по сей день «потовый тест» используется для диагностирования этого заболевания.

Причиной проблемы являются мутации, нарушающие работу особого ионного канала. Его полное название – муковисцидозный трансмембранный регулятор проводимости, но на практике всегда пользуются латинской аббревиатурой CFTR. Этот канал находится в клетках, выстилающих легкие и протоки таких органов, как потовые железы, поджелудочная железа и яички, и управляет перемещением ионов хлора через клеточную мембрану. Секреция ионов хлора необходима для образования жидкости, переносящей пищеварительные ферменты в кишечник, семенной жидкости и пота. Она также важна для секреции жидкости в легких – там тонкая пленка жидкости захватывает бактерии и перемещает их от основания легких вверх по дыхательным путям в рот, где они проглатываются и благополучно уничтожаются. Без такого подъема дыхательные пути забиваются густой и липкой слизью, в которой размножаются бактерии. Подобные инфекции в конечном итоге повреждают легкие.

В настоящее время при муковисцидозе применяют симптоматическое лечение: борются с легочными инфекциями с помощью антибиотиков, предотвращают скопление слизи в легких с помощью физиотерапии и восполняют отсутствующие пищеварительные ферменты. Вместе с тем ведутся исследования, направленные на восстановление самих дефектных каналов. Примерно у 4 % больных наблюдается мутация в CFTR (известная как G551D), сокращающая время, в течение которого каналы открыты. Не так давно был найден препарат «Ивакафтор», заставляющий такие спящие каналы функционировать нормально, и предварительные исследования показывают, что он может давать клинический результат. Хотя до этого еще далеко, но новый подход дает надежду людям с мутацией G551D. У большинства больных, однако, другая мутация CFTR – F508del, которая не позволяет каналу достичь поверхности мембраны клетки. В этом случае необходимы препараты, корректирующие неправильный внутриклеточный транспорт канала.

Муковисцидоз чрезвычайно редко наблюдается у жителей Востока и чернокожих африканцев и чаще всего встречается у жителей северной части Европы, где он является самым распространенным наследственным заболеванием, в основе которого лежит повреждение одного гена. В Великобритании порядка 9000 человек страдают от болезни, и один из каждых 25 человек, т. е. более двух миллионов, несет в себе один экземпляр дефектного гена: у них нет признаков заболевания, но если у пары носителей появится ребенок, то в 25 % случаев он будет страдать муковисцидозом. Такая распространенность мутации говорит о том, что носители одного экземпляра гена могут обладать преимуществами при отборе. Возможно, такие носители более устойчивы к диарейным заболеваниям вроде холеры. Vibrio cholerae, бактерия, вызывающая холеру, вырабатывает токсин, который открывает каналы CFTR в клетках кишечника. Хлор утекает из этих клеток и уносит с собой воду. Это приводит к массированному выбросу жидкости в кишечник и, как следствие, к сильной диарее и быстрой гибели от обезвоживания. Люди с меньшим комплектом каналов CFTR выделяют меньше ионов хлора и, таким образом, потенциально более устойчивы к обезвоживанию.

Бактерии холеры передаются через фекалии, и при любом стихийном бедствии, вызывающем повреждение канализационной системы, например при землетрясении или наводнении, появляется риск возникновения эпидемии холеры. Землетрясение на Гаити в 2010 г. не было исключением, и после него очень быстро началась эпидемия этой болезни. Хотя холера не является болезнью северной Европы и в наше время характерна лишь для стран третьего мира, так было не всегда. Одним из самых заметных достижений в сфере общей гигиены стало удаление доктором Джоном Сноу ручки водоразборной колонки на Брод-стрит в Лондоне летом 1853 г.

Во время сильной вспышки холеры, не утихавшей 14 недель, Сноу обратил внимание на то, что в районе Саутуорк смертельных исходов в 10 раз больше, чем в районе Лэмбет. Он считал, что холера распространяется с водой, хотя другие видели причину в «отвратительных испарениях», выделяющихся из канализации. Тщательное расследование показало, что один из районов Лондона водой снабжали две разные компании, и люди, которые там жили, дышали одним и тем же воздухом, но потребляли разную воду. Удалив рукоятку колонки, из которой шла зараженная вода, Сноу остановил распространение холеры и подтвердил свое предположение о том, что болезнь распространяется с водой. Начало эпидемии проследили впоследствии до Франсес Льюис, пятимесячной малышки, которая умерла от сильнейшей диареи. Ее мать выливала воду, в которой стирала испачканные пеленки, в сточную канаву у дома, откуда эта вода попала в колодец на Брод-стрит и загрязнила питьевую воду. Последствия оказались катастрофическими.

Клеточная система водоснабжения и канализации

Итак, патологии ENaC и CFTR вызывают заболевания, связанные с нарушением трансмембранных потоков воды в клетках. На протяжении многих лет ученые пытались понять, как вода проходит через клеточные мембраны. Поскольку они состоят из липидов (жиров), то должны быть слабопроницаемыми для воды, а раз так, каким образом она все же проникает через липидный барьер в количествах, необходимых для образования слез, слюны, пота и мочи? Дело в том, что большинство клеток имеют специальные водные каналы, называемые аквапоринами, которые позволяют воде входить в клетку и выходить из нее. Они были открыты по счастливому стечению обстоятельств Питером Эгром. Он объяснил свою находку, которая в конечном итоге принесла ему Нобелевскую премию, «удачей чистой воды». Предполагая, что белок, открытый им, может быть тем самым водным каналом клетки, Эгр протестировал его способность проводить воду на икринках лягушки, которая прекрасно живет в пресной воде. К удивлению Эгра, лягушачьи икринки, ну прямо-таки созданные для демонстрации водных каналов в мембранах, набухали и лопались при погружении в пресную воду.

Эксперимент Эгра наглядно показал силу осмоса – склонности воды течь из области с низкой концентрацией соли в область с более высокой концентрации. Из-за того, что в пресной воде солей намного меньше, чем в внутри клетки, вода всегда стремится проникнуть в лягушачью икринку, однако в нормальном состоянии липидная мембрана препятствует этому. Стоит повысить водопроницаемость мембраны каким-либо образом (например, путем увеличения количества водных каналов, как сделал Эгр), и вода устремится внутрь, заставляя икринку набухать и в конечном итоге лопаться.

Оказывается, существует множество видов аквапориновых каналов, и они имеются в различных клетках, включая клетки головного мозга и красные кровяные тельца, даже в клетках растений и микроорганизмов. Один из самых важных аквапоринов (так называемый аквапорин 2) находится в собирающем протоке почечных канальцев и отвечает за обратное всасывание последних 35 литров из воды, которую наши почки пропускают через себя каждый день, и, таким образом, за нашу способность концентрировать мочу{19}. В секунду через один аквапориновый канал проходят примерно три миллиарда молекул воды. Он обладает высокой избирательностью, которую обеспечивает уникальная структура поры, – только вода, а не ионы, может проходить через него. Водные каналы также необычны тем, что они не открываются и закрываются, подобно ионным каналам, а постоянно находятся в открытом состоянии: количество пропускаемой воды регулируется перемещением каналов внутрь клетки и наружу, в клеточную мембрану. Когда организму нужно запасти воду, появляются дополнительные водные каналы. И наоборот, когда вы пьете слишком много воды, водные каналы удаляются, протоки начинают поглощать меньше отфильтрованной почками воды, и она просто выводится из организма в виде мочи. Такое втягивание и встраивание водных каналов в клеточную мембрану регулируется гормонами и происходит непрерывно. Оно и сейчас происходит в ваших почках.

Что интересно, этот процесс может прерываться под действием алкоголя. Всего несколько кружек пива приводят к прекращению выделения антидиуретического гормона, который вызывает встраивание водных каналов в почечные канальца. Вот почему после пива у вас начинается обильное выделение разбавленной мочи. Именно поэтому на следующее утро после застолья вы просыпаетесь с ощущением обезвоживания в дополнение к головной боли. Поскольку весь алкоголь к этому времени должен метаболизироваться (надо надеяться), уровень гормонов становится выше, водные каналы встраиваются в мембраны канальцев, и усиленное всасывание воды приводит к концентрированию мочи. Вы и сами можете заметить этот феномен, поскольку концентрированная моча наутро после веселья намного темнее, чем бледная водица прошлым вечером.

У людей с нефункционирующим аквапорином 2 выделяется большое количество разбавленной мочи – до 25 литров в день, их организм быстро обезвоживается, и они постоянно хотят пить. Причиной может быть редкая генетическая мутация, при которой болезнь проявляется с момента рождения. Родители, однако, могут не обратить на нее внимания, ведь мокрые пеленки – не такая уж необычная вещь у младенца.

Смертоносные орудия

Ионные каналы критически важны не только для начала жизни, они также непосредственно участвуют в ее завершении. Многие клетки и организмы используют ионные каналы в качестве оружия для нападения. Такие каналы действуют как молекулярные дыроколы, которые встраиваются в мембрану клетки-мишени и формируют огромное отверстие – настолько большую пору, что через нее из клетки могут выходить не только ионы, но и небольшие молекулы и существенные питательные вещества. В пору устремляется вода, и клетка набухает до тех пор, пока не лопнет (лизируется) и не умрет. Каналы, используемые в качестве такого смертоносного орудия, особенно интересны, поскольку они находятся внутри клетки-агрессора в неактивной форме и совершенно неопасны. Однако после высвобождения они образуют структуру, способную встраиваться в мембрану жертвы. Это настоящие трансформеры, переходящие из безобидной неактивной формы в смертоносную в течение нескольких секунд.

Такие каналообразующие молекулы играют важную роль в нашей иммунной системе, защищая нас от вторжения болезнетворных микроорганизмов. Один из видов подобных молекул с красноречивым названием «дефензин»[27] находится в нашей коже и в слизистой оболочке дыхательных путей и служит естественным антибиотиком с широким спектром действия против бактерий, грибков и некоторых вирусов. Другие виды молекулы высвобождаются специальными белыми кровяными тельцами, так называемыми Т-лимфоцитами (или естественными клетками-киллерами). Т-лимфоциты убивают вирусы и бактерии разными путями, в числе которых высвобождение перфоринов – ионных каналов, которые пробивают отверстия в мембранах враждебных клеток. Другим порообразующим оружием в арсенале нашей иммунной системы является так называемый комплемент, который пробивает еще более крупные отверстия в проникших клетках.

Бактерии также ведут нескончаемую химическую войну друг с другом, выделяя или, говоря языком физиологов, секретируя каналообразующие белки, которые убивают другие бактерии. К сожалению, некоторые из них нападают и на клетки людей. Альфа-токсин, выделяемый золотистым стафилококком (Staphylococcus aureus), является одним из самых крупных, самых смертельных и самых изящных. Это грибовидный канал, ножка которого проходит через мембрану, а шляпка располагается на ее наружной поверхности, выступая из клетки. Чтобы избежать повреждения самой бактерии, канал формируется из семи отдельных субэлементов, которые выделяются независимо друг от друга, а затем соединяются, образуя гигантскую пору, пробивающую мембрану клетки-мишени. Бактерии стафилококка вызывают появление на коже карбункулов, фурункулов и нарывов, инфицируют раны и, что опаснее всего, становятся причиной сепсиса, когда кровь разносит токсин и бактерии во все ткани, а красные и белые кровяные тельца повреждаются (отравляя кровь). Способность альфа-токсина лизировать красные кровяные тельца послужила поводом для появления другого его названия – гемолизин.

Staphylococcus pyrogenes, инфекционный агент, вызывающий скарлатину, также выделяет токсин, который разрывает красные кровяные тельца и приводит к появлению характерной мелкой красной сыпи на всем теле и окрашиванию языка в ярко-малиновый цвет. Эта болезнь может быть смертельной – от нее умерла мать американской писательницы XIX в. Луизы Мэй Олкотт, которая написала об этом печальном событии в своем романе «Маленькие женщины». Другие ионные каналы, например те, что выпускают простейшие, вызывающие амебную дизентерию, разрушают наш кишечник.

Борьба с насекомыми

Люди поставили такие каналообразующие бактериальные токсины себе на службу. Одни, которые атакуют клетки бактерий, но не действуют на клетки млекопитающих, используются как антибиотики. Другие применяются как инсектициды. Самым известным токсином является тот, который выделяют бактерии Bacillus thuringiensis. Он встраивается в клетки, выстилающие пищеварительный канал насекомых, лизирует их, и насекомые в конечном итоге погибают от обезвоживания. Токсин выпускается как неактивное вещество-предшественник, которое должно активироваться в пищеварительном канале насекомых, а поэтому он безвреден для людей.

Bacillus thuringiensis широко используются в качестве биологического агента для ограничения численности гусениц в промышленных тепличных хозяйствах, для уничтожения личинок комаров и мошкары, переносящей «речную слепоту» (онхоцеркоз). В последнее время гены токсина бактерий стали встраивать прямо в растения, которые приобретают способность самостоятельно вырабатывать токсин. Вырабатывающие пестициды виды кукурузы, картофеля и хлопка широко выращиваются в США и позволяют кардинально сократить использование синтетических инсектицидов. Вместе с тем практика выращивания таких растений вызывает неоднозначную реакцию отчасти в результате обеспокоенности по поводу генетически модифицированных продуктов. Другая причина связана с опасением, что постоянное воздействие пестицидов на насекомых приведет к появлению видов, устойчивых токсину. Любая мутация рецептора, предотвращающая присоединение токсина, дает несомненное репродуктивное преимущество, и уже появились сообщения об устойчивых к пестициду насекомых. Как и в случае с антибиотиками, преодоление сопротивления – это непрерывная борьба.

Самоубийство клеток

На определенном этапе развития у эмбриона человека руки и ноги перепончатые, как у утки. По мере того как эмбрион растет в материнской утробе, клетки, образующие перепонки между пальцами отмирают в процессе так называемой запрограммированной гибели (или апоптоза), так что к моменту рождения наши пальцы на руках и ногах разделяются. Если процесс формирования тела нарушается, а такое иногда случается, то ребенок рождается с перепонками между пальцев.

Каждый, кто когда-нибудь держал головастиков, наблюдал, как такое самоубийство, т. е. апоптоз с рассасыванием отмирающих клеток, приводит к исчезновению хвоста при превращении головастика в лягушонка. Точно так же апоптоз наблюдает любая женщина каждый месяц, поскольку отторжение слизистой оболочки матки, происходящее в начале цикла, также является результатом запрограммированной гибели клеток. Но главное, пожалуй, то, что самоубийство клеток играет ключевую роль в развитии нервной системы и формировании связей в головном мозге. В начальный период родившиеся нервные клетки выбрасывают свои аксоны в направлении цели случайным образом. Если аксоны достигают правильной цели, то устанавливается предварительная связь, импульсы активно идут по линиям, происходит обмен химическими приветствиями, и связь закрепляется. Нервные клетки, чьи аксоны не отыскали правильную цель, генерируют значительно более слабые импульсы и просто увядают из-за того, что не используются. Многие клетки умирают в процессе развития мозга, и без их самоубийства мозг не смог бы функционировать должным образом. Апоптоз также позволяет избавиться от клеток, которые могут угрожать жизни организма. Иммунная система человека способна убивать клетки, зараженные вирусами, и клетки с поврежденной ДНК, которые приводят к образованию раковой опухоли.

На клеточном уровне, таким образом, смерть вовсе не отрицательное явление. Это неотъемлемая часть жизни каждого многоклеточного организма, и каждый день несколько миллиардов клеток в нашем организме умирают в результате апоптоза. Без этого процесса многоклеточная жизнь невозможна. Если это не приближает нас к пониманию смысла жизни, по крайней мере на клеточном уровне, то смысл смерти определенно становится ясным.

Время жить, время умирать

Когда клетка совершает самоубийство, она сжимается, ее мембрана отходит от цитоплазмы, образуя уродливые вздутия. ДНК разрушается, уже не могут синтезироваться белки, а митохондрии, клеточные энергоустановки, отключаются. На поверхности клеточной мембраны появляются специфические липиды, которые являются сигналом для макрофагов, которые поглощают продукты распада умирающей клетки для утилизации.

Существует несколько путей самоуничтожения клетки, однако, как вы, наверное, уже догадались, один из них предполагает участие ионных каналов. В нем задействованы также митохондрии, крошечные органоиды размером с бактерию, которые имеются почти во всех клетках нашего организма. Прародители митохондрий были когда-то самостоятельными организмами, чем-то вроде сине-зеленых водорослей (цианобактерий), которые образуют знакомую всем зеленую пену на поверхности озер в жаркое лето, однако примерно два миллиарда лет назад эти предшественники митохондрий отказались от самостоятельности и стали частью древних клеток. Таким образом, подобно триллам из киноэпопеи «Звездный путь», мы живем в симбиозе с другим организмом, однако никакой фантастики здесь нет, и наши симбионты микроскопические. Практически все клетки растений и животных содержат митохондрии, которые принципиально важны для жизни – без них многоклеточные организмы не могли бы функционировать. Митохондрии действуют как молекулярные топки, в которых такое топливо, как сахар и жиры, окисляется кислородом и дает химическую энергию. Клетки, которым требуется много энергии, например мышечные клетки, содержат большое количество митохондрий.

У митохондрий есть одна особенность. Они окружены двумя мембранами, целостность которых важна для того, чтобы митохондрия могла вырабатывать энергию. Когда клетка решает пойти на самоубийство, в наружной митохондриальной мембране образуется крупная пора, известная как митохондриальный апоптоз-индуцирующий канал. Это отверстие настолько велико, что из митохондрии в цитоплазму могут вытекать относительно крупные химические частицы, создающие хаос и инициирующие каскад событий, которые неотвратимо ведут к гибели клетки. Важно, однако, заметить, что решение о самоубийстве принимает не митохондрия. Этот процесс инициируется и жестко контролируется клеткой, которая просто использует митохондриальный механизм в своих целях.

Погубленный урожай

Именно на митохондрии действовал токсин глазковой пятнистости листьев кукурузы, который так пагубен для ЦМС-разновидностей кукурузы. Стерильность ЦМС-растений обусловлена наличием уникального ионного канала во внутренней митохондриальной мембране. Как бомба замедленного действия, этот канал нормально закрыт и не влияет на функционирование органоида. Однако присоединение токсина глазковой пятнистости листьев кукурузы активирует бомбу, открывая канал и лишая митохондрию способности вырабатывать энергию. Клетка, лишенная энергии, погибает. По мере распространения грибка токсин убивает растение, клетку за клеткой. К заболеванию восприимчивы только те растения, у которых есть соответствующий ген ионного канала, т. е. ЦМС-разновидности. Взаимосвязь восприимчивости к токсину и мужской стерильности неразрывна, поскольку и то и другое является результатом одного и того же процесса. Даже в отсутствие токсина ионный канал активируется в митохондриях клеток, которые снабжают развивающиеся пыльцевые зерна питательными веществами, и, когда эти клетки чахнут и погибают, вместе с ними погибает и пыльца.

Несмотря на опустошение, нанесенное глазковой пятнистости листьев кукурузы в 1970 г. в США, стране очень повезло. На тот момент более 85 % растений имели ген ЦМС. Сухая погода в сентябре в северных и западных штатах остановила распространение грибка и предотвратила практически полную гибель урожая. Как отмечает Пол Реберн в своей наводящей на размышления книге «Последний урожай» (The Last Harvest), масштабы эпидемии глазковой пятнистости листьев кукурузы и ее огромный экономический эффект объясняются тем, что «кукурузный пояс» США был засеян в основном одной разновидностью кукурузы. Генетическое единообразие современных зерновых культур и практика выращивания всего одного-двух видов растений на огромной площади приводят к тому, что в случае восприимчивости одного растения к новому заболеванию восприимчивыми к нему оказываются и все остальные. Таким образом, под угрозу ставится весь урожай. Более традиционные методы земледелия, при которых выращивается множество местных разновидностей растений, поддерживают генетическое разнообразие, и если одни растения поддаются заражению, то многие другие устойчивы к заболеванию. Это серьезное основание для сохранения как можно большего числа диких видов сельскохозяйственных культур, поскольку без их генов селекционеры могут оказаться не в состоянии вывести сорта, устойчивые к новым опасностям, которые наверняка встретятся в будущем.

Зеленое электричество

Практически все виды жизни на нашей планете зависят от способности растений поглощать энергию солнца и запасать ее в виде молекул сахара. Этот процесс, называемый фотосинтезом, является главным источником всех видов пищи, которую мы едим, всех молекул, из которых состоит наш организм, а также подавляющей части кислорода в атмосфере. В процессе фотосинтеза углекислый газ и вода превращаются в сахар и кислород под действием энергии солнечного света, и все это происходит в органоидах, так называемых хлоропластах, которые находятся в клетках растений.

Чтобы не допустить чрезмерной потери воды, листья большинства растений покрыты толстой воскообразной оболочкой. Однако она также препятствует диффузии углекислого газа и кислорода внутрь листа и из него, поэтому газообмен происходит через специальные поры на нижней части листа, так называемые устьица, которые действуют как микроскопические окна. Беда в том, что устьица не только впускают углекислый газ и выпускают кислород, но и очень эффективно выпускают водяной пар. Это может очень существенно осложнять жизнь растения, так как воду, теряемую через устьица, необходимо возмещать, высасывая ее из почвы. У некоторых пустынных растений во избежание такой ситуации устьица открываются только ночью, что сильно сокращает потерю воды во время жаркого дня. Но у них появляется другая сложность – для фотосинтеза требуются и углекислый газ, и солнечный свет. Получается классический замкнутый круг. В результате большинство растений балансируют процессы фотосинтеза и потери воды, непрерывно открывая и закрывая устьица на протяжении дня в зависимости от освещенности и влажности воздуха.

Устьица сформированы из двух «замыкающих» клеток, которые образуют пору и управляют ее открыванием и закрыванием, регулируя количество содержащейся в них воды. Когда замыкающие клетки набухают и раздуваются, пора между ними открывается, а когда они теряют воду и становятся дряблыми, пора захлопывается. Перемещение воды, влияющее на объем замыкающих клеток и, следовательно, на состояние устьица, регулируется комбинацией насосов и каналов. Повышение интенсивности света вызывает выкачивание положительно заряженных ионов водорода из клетки, создавая отрицательный потенциал на клеточной мембране. Это изменение мембранного потенциала, в свою очередь, открывает калиевые каналы, позволяя ионам калия входить в замыкающие клетки. Вода следует за ионами калия, так что замыкающие клетки увеличиваются в объеме на 40 % и открывают пору устьица. Пока калиевые каналы открыты, пора не закрывается. Когда же уровень освещения падает или растение испытывает недостаток воды, калиевые каналы закрываются. Как следствие, вода уходит, замыкающие клетки сжимаются, и пора устьица закрывается.

В определенном смысле, управляя набуханием замыкающих клеток, калиевые каналы растения регулируют процесс фотосинтеза. Можно утверждать, что они самые важные ионные каналы на Земле. Я даже в каком-то смысле горжусь, что эти калиевые каналы относятся к тому же семейству каналов, к которому принадлежат и мои любимые каналы. У них, наверное, был общий предок, появившийся очень давно, еще до того, как царства животных и растений разделились.

Жизнь на полосе для тихоходов

Удивительно, но некоторые растения не только имеют ионные каналы, но и могут генерировать потенциал действия. Однако электрические импульсы растений отличаются от нервных импульсов: они более продолжительны, распространяются медленнее и передаются другими ионами. Электрический импульс водоросли Nitella, например, инициируется не притоком положительно заряженных ионов натрия, а оттоком из клетки отрицательно заряженных ионов хлора. И это не случайно. В отличие от животных клеток клетки большинства наземных растений не плавают в соленой внеклеточной жидкости. Концентрация ионов очень низка в стенках клеток растений, и поэтому приток ионов натрия не может создать потенциала действия. Растению в результате приходится полагаться на отток ионов хлора.

Растения-хищники генерируют потенциал действия для захватывания добычи. Одним из самых интересных среди них является венерина мухоловка, любимый цветок Чарльза Дарвина. Это растение, как он отмечал в своих заметках, «удивляет быстротой и силой движений». Чтобы выжить на бедных азотом почвах болот, где она обитает, венерина мухоловка дополняет свой рацион мелкими насекомыми. Она завлекает их в «ловушку», образованную видоизмененным листом, которая состоит из двух ярко-красных долей, похожих на створки раковины моллюска, и окаймлена длинными розовато-зелеными волосками. В состоянии покоя ловушка заманчиво открыта. Но стоит неосторожной мухе сесть на ее сладкую, липкую поверхность, как две створки захлопываются, запирая насекомое внутри. Длинные волоски на кромке долей плотно сцепляются, как зубья крысоловки, не давая выбраться насекомым покрупнее. Мелкие насекомые могут протиснуться наружу, скорее всего потому, что с какой-нибудь крошечной мошкой просто энергетически невыгодно возиться, а большие насекомые медленно перевариваются и дают растению азот, так необходимый для синтеза его собственных белков. Примерно через семь дней ловушка открывается, выбрасывая непереварившиеся остатки.

Каждому, кто когда-нибудь пытался прихлопнуть муху, знает, что эти насекомые передвигаются быстро. Таким образом, чтобы поймать муху, венерина мухоловка должна двигаться еще быстрее. Для этого у нее в процессе эволюции сформировалась специальная электрическая сигнальная система. Каждая доля ловушки имеет несколько трехгранных волосков, выступающих над поверхностью и обладающих исключительной чувствительностью к прикосновениям. Если положение более чем двух таких волосков изменяется примерно в один и тот же момент, например в результате движения насекомого, то доли захлопываются так быстро, что и глазом моргнуть не успеешь{20}. Волоски снабжены механочувствительными ионными каналами, и прикосновение к ним приводит к генерированию потенциала действия, который распространяется по клеткам долей в направлении центра ловушки. В состоянии покоя доли ловушки вогнуты, но когда электрический сигнал достигает центральной части, они резко изменяют форму с вогнутой на выпуклую и образуют карман, запирающий добычу. О том, как именно это происходит, все еще идут споры, но в этом процессе участвуют ионные каналы, инициирующие перемещение ионов и воды, которое приводит к дифференцированному набуханию и сжатию клеток долей и, таким образом, к резкому изменению давления в листе.

Аналогичные ловушки имеются и у других болотных растений, например у росянки, а также у альдрованды пузырчатой, которая ловит добычу под водой. Ловушка альдрованды закрывается быстрее, чем у других растений-хищников. Ей требуется на это всего 10–20 мс, в пять раз меньше, чем венериной мухоловке.

Хотя растения не имеют нервов, у некоторых из них есть специальные проводящие пути, которые позволяют электрическим импульсам передавать информацию на определенное расстояние. Легонько дотроньтесь до листочка мимозы стыдливой (Mimosa pudica), чувствительного растения, и весь лист свернется от самого основания в месте присоединения к ветке. Специальные клетки передают сигнал к основанию листа, где движение ионов приводит к изменению объема клеток и к свертыванию всего листа. В отличие от этого у венериной мухоловки потенциалы действия распространяются произвольным образом по всему листу через электрические синапсы между соседними клетками, прежде чем они достигнут набухающих клеток, которые захлопывают ловушку. Однако, как ни удивительно само наличие потенциалов действия у растений, они распространяются намного медленнее, чем у животных (примерно 10 метров в секунду против 250 метров в секунду). Растения просто проживают отведенный им срок намного медленнее.

Глава 9

Врата чувств

Если б врата чувств были открыты, то каждая вещь представала бы пред человеком как есть – бесконечной. Но люди сидят в своих норах и видят лишь то, что доступно сквозь узкие щели{21}.

Уильям Блейк. Бракосочетание рая и ада

Представьте, что вы сидите у меня в саду превосходным летним вечерком, слушаете радостное пение черного дрозда, наслаждаетесь бокалом вина и чувствуете ласковое тепло солнца. Вы поднимаете бокал и любуетесь золотистым цветом напитка и переливами хрусталя в солнечном свете, а потом наклоняетесь, чуть взбалтываете вино в бокале и ощущаете легкий аромат крыжовника, солнечный свет, заключенный в алкоголе. Вы отхлебываете немного и смакуете вино. Эта незамысловатая сценка наглядно показывает, что даже в таком простом деле, как дегустация вина, участвуют все наши чувства.

Наслаждение, боль, а по большому счету эволюционный успех любого организма, включая и нас, зависит от способности воспринимать окружающий мир: видеть, слышать, чувствовать запахи, вкус и прикосновения. Наши органы чувств преобразуют мириады разнообразных сигналов, непрерывно бомбардирующих нас, в единственную форму, приемлемую для мозга, – электрическую энергию нервных импульсов. И ни в одном случае трансформация чувственной информации в электрический сигнал не обходится без участия ионных каналов. Ионные каналы – истинные врата чувств, поскольку все, что мы чувствуем, воспринимается, передается или обрабатывается ими. Как следствие, дефекты в генах ионных каналов приводят к различным нарушениям восприятия у человека, от потери слуха до дальтонизма. В этой главе вы найдете удивительные истории о том, как ионные каналы определяют нашу способность воспринимать и чувствовать окружающую обстановку. Она посвящена тем самым блейковским «узким щелям», через которые мы видим мир, – нашим органам чувств.

Всевидящее око

Глаза – наши окна в мир. Откроешь их, и он возникает перед тобой во всем богатстве форм, движений, цветов и оттенков. Работая над этим разделом, я видела за окном красочную картину: чистую синеву неба, характерную для бабьего лета, поблекшее золото созревшей пшеницы, огромную палитру оттенков зеленого с пятнами ярких цветов. И все это двигалось – ветви тополей раскачивались, а ветер подхватывал опадавшие лепестки поздних роз.

С одной стороны, наши глаза действуют как обыкновенная фотокамера. У них есть прозрачная роговая оболочка и хрусталик, которые совместно фокусируют свет на слое светочувствительных клеток, так называемой сетчатке, на задней стенке глаза. У них есть радужная оболочка, непрерывно регулирующая количество поступающего в глаз света. У них есть даже защитные колпачки – веки, способные при необходимости полностью прекратить поступление света. С другой стороны, в отличие от большинства фотокамер наши глаза связаны с мозгом, который обрабатывает и интерпретирует изображения, проецируемые на сетчатку. Обработка изображений происходит в определенной мере и в самой сетчатке.

Каждую секунду наши глаза воспринимают тысячи зрительных образов, трансформируют световые сигналы в перевернутые изображения на сетчатке и преобразуют их в нервные импульсы, которые поступают в мозг для обработки. Фокусирующая способность глаза почти на две трети зависит от прозрачной наружной оболочки, роговицы, остальное делает хрусталик, подвешенный позади зрачка на тысячах тонких связок. Роговица имеет фиксированное фокусное расстояние, а фокусное расстояние хрусталика может изменяться под действием мышц, прикрепленных к его кромке. Они делают хрусталик толще или тоньше, когда вы фокусируете зрение на близких или далеких предметах. С возрастом упругость хрусталика человека снижается, и изменять его фокусировку становится труднее, именно поэтому многим из тех, кому за 50, приходится надевать очки при чтении.

Слева. Глаз в разрезе, где показано положение роговицы, хрусталика и сетчатки. Справа. Фоторецептор-палочка. Внешний сегмент палочки плотно упакован мембранными дисками, наполненными зрительным пигментом родопсином. На другом конце клетки находятся везикулы с нейромедиатором. Химические и электрические сигналы передают возбуждение фотопигмента под действием света от дисков к окончанию палочки, а оттуда к следующей клетке в цепочке.

Зрачок – это отверстие, через которое входит свет. Он кажется черным потому, что свет не выходит через него обратно. Радужка – окрашенная оболочка глаза, в ней находятся мышцы, регулирующие размер зрачка в зависимости от интенсивности окружающего освещения. Они расширяют зрачок при тусклом освещении и сужают его до точки на очень ярком свете. Размер зрачка, кроме того, отражает эмоциональное состояние человека – он расширяется при испуге, от боли и когда вы видите что-нибудь очень интересующее вас, ну, например, предмет обожания.

Сетчатка содержит светочувствительные клетки двух видов: палочки и колбочки. Вместе взятые они позволяют нам различать две основные характеристики света – интенсивность и длину волны (цвет). Палочки не различают цвета, но они зато чрезвычайно чувствительны к свету низкой интенсивности и могут даже регистрировать отдельные фотоны (кванты, или частицы света). В сумерках мы видим исключительно с помощью палочек, вот почему в свете звезд и луны мир кажется нам окрашенным в оттенки серого. На большей части сетчатки палочек заметно больше, чем колбочек: их около 120 млн, а колбочек всего 6,5 млн. Исключением является центральная ямка (фовеа), область сетчатки, где свет фокусируется наиболее четко. Здесь значительно выше плотность колбочек. Именно они обеспечивают нам остроту зрения, а также восприятие цветов. Колбочки работают лучше всего на ярком свету, поэтому в темноте мы нередко лучше видим краем глаза, где сконцентрированы палочки. Далекие звезды кажутся намного ярче, если не глядеть прямо на них. Единственной частью сетчатки, где нет ни палочек, ни колбочек, является место выхода зрительного нерва глаза, которое называют слепым пятном, поскольку в отсутствие светочувствительных клеток видеть ничего нельзя.

Светочувствительность

Одно главнейших свойств любого глаза – способность видеть – обусловлено специальными молекулами, которые преобразуют свет в химическую энергию. В наших глазах есть несколько фотопигментов, которые реагируют на свет с разной длиной волны (цвет). Все они содержат производное витамина А – ретиналь, который связан с белком опсином. Ретинальная часть молекулы отвечает за поглощение света, именно поэтому при недостатке витамина А чувствительность глаза снижается, и возникает «куриная слепота»{22}. В время Второй мировой войны британское правительство распустило слух о том, что в рацион летчиков-истребителей входит много моркови, которая богата витамином А и этим якобы объясняется их успех в борьбе с вражескими бомбардировщиками. Это, однако, не более чем миф, а слух был распущен для отвлечения внимания и сокрытия факта использования радиолокаторов, которые на самом деле и обеспечивали успех.

Другая составляющая зрительного пигмента, опсин, определяет спектральную чувствительность ретиналя. Таким образом, различные опсины позволяют воспринимать свет с разной длиной волны. Фотопигмент в палочках, так называемый родопсин, наиболее чувствителен к сине-зеленой части спектра света с длиной волны 498 нм. Наш глаз имеет три типа колбочек, каждый из которых содержит свой фотопигмент, настроенный на свою длину волны. Традиционно для простоты их называют красными, зелеными и синими колбочками, хотя на самом деле они чувствительны к желто-зеленой (длинные волны, 564 нм), к зеленой (средние волны, 535 нм) и сине-фиолетовой части спектра (короткие волны, 433 нм). Бесчисленные оттенки цвета, которые мы различаем, образуются в результате объединения электрических сигналов от этих трех типов колбочек. Аналогичным образом в цветном телевизоре всего три цветовых сигнала воспроизводят на экране всё множество цветов, которые мы видим.

Когда фотопигменты поглощают фотон, их форма изменяется. Это инициирует сложный каскад событий, в результате которых изменяются электрические свойства светочувствительных клеток. Наша способность видеть начинается с преобразования света в электрический сигнал, и непосредственное участие в этом процессе принимают ионные каналы. И палочки, и колбочки содержат миллионы молекул пигмента, плотно зажатых в мембранах ряда внутриклеточных дисков, которые расположены стопкой во внешнем сегменте клетки. Огромное количество молекул значительно повышает вероятность поглощения фотона, проходящего через глаз, и инициирования зрительной реакции. Однако месторасположение фотопигмента создает проблему, поскольку оно находится далеко от везикул с нейромедиатором, с помощью которого светочувствительная клетка передает сигнал соседней клетке. В результате в фоторецепторах сигнал на выброс нейромедиатора при изменении фотопигмента под действием света передает внутриклеточный мессенджер. Он представляет собой химическое вещество, известное как циклический гуанозинмонофосфат (цГМФ), которое передает информацию от внутриклеточных дисков к поверхности клеточной мембраны. Там химический сигнал преобразуется в значительно более быстрый электрический сигнал, мгновенно достигающий области, где происходит выброс нейромедиатора. В центре этого сложного каскада сигнальных процессов находится специальный ионный канал, который открывается при присоединении к нему цГМФ.

В темноте уровни цГМФ в палочках и колбочках высоки, и поэтому цГМФ-зависимые каналы открыты. Ионы натрия, входящие через пору канала, вызывают положительный сдвиг мембранного потенциала, который распространяется по поверхности мембраны до другого конца палочки или колбочки. Там он открывает кальциевые каналы, ионы кальция входят в клетку и инициируют выброс нейромедиатора, который стимулирует следующую клетку в цепочке. В конечном итоге информация о том, что темно, поступает в мозг.

Изменения, происходящие в зрительных пигментах под действием света, инициируют сигнальный каскад, который приводит к разрушению цГМФ. Как следствие, цГМФ-зависимые каналы закрываются, выделение нейромедиатора прекращается, и мозг получает сигнал «свет». Исключительная чувствительность нашего зрения обусловлена именно этой сложной цепной реакцией, представляющей собой фактически мощный усилитель. Каждый поглощенный фотон вызывает разрушение множества молекул цГМФ, так что закрывается столько каналов, сколько необходимо для полного прекращения выделения нейромедиатора. Как вы уже, наверное, поняли, еще одной замечательной особенностью наших палочек является то, что они непрерывно подают сигнал, когда их не стимулируют, т. е. они активны в темноте и выключаются на свету. Считается, что это их свойство повышает нашу чувствительность к свету.

Виагра (силденафил цитрат) широко используется для борьбы с импотенцией и повышения сексуальной активности, как свидетельствует спам, который регулярно приходит на мой электронный адрес. Однако это средство дает еще один, менее известный эффект. При высоких концентрациях оно может в буквальном смысле заставить окружающий мир посинеть. Мужчины, принимающие большие дозы этого лекарства, иногда обращают внимание на то, что оно придает зрительным образам мягкий синий оттенок и повышает чувствительность к свету. Это объясняется тем, что виагра слабо ингибирует фермент, который разрушает цГМФ в палочках сетчатки, и таким образом повышает их чувствительность к свету. Из-за того, что виагра может нарушать цветовосприятие и приводить к неспособности отличать синие и зеленые огни на рулежных дорожках аэродрома, Федеральное управление гражданской авиации США запрещает пилотам управлять самолетами в течение шести часов после приема этого лекарства.

Ночное зрение

При дневном свете мы видим с помощью колбочек, а палочки в это время не работают. Это происходит потому, что яркий свет обесцвечивает молекулы родопсина, и они перестают реагировать на свет. Им нужно время, чтобы регенерировать, и вы это чувствуете каждый раз, когда попадаете с ярко освещенной улицы в затемненное помещение. В первый момент вы не видите ничего, поскольку палочки деактивированы действием яркого света. Постепенно, однако, вы привыкаете к темноте, и контуры окружающих предметов начинают медленно появляться из тени и приобретать четкость по мере восстановления родопсина. Для полной регенерации родопсина нужно примерно 30 минут, а теряет чувствительность он в течение нескольких секунд, стоит только выйти на яркий свет.

В Лаборатории Колд-Спринг-Харбор, штат Коннектикут, был такой забавный случай. Мой коллега пытался зарегистрировать электрические сигналы глаза лягушки. Для этого нужно было, чтобы палочки адаптировались к темноте, и он поместил лягушку в темную комнату. Возвратившись через полчаса, он обнаружил, что лягушка исчезла. Я предложила помощь в поисках. Это было большой ошибкой. Не желая откладывать эксперимент, мой коллега не стал включать свет. Ловля шустрой лягушки в небольшой загроможденной темной комнате при слабом свете красного луча карманного фонарика оказалась развлечением не для слабонервных. Поскольку палочки нечувствительны к красному свету и не обесцвечиваются им, мы пользовались красным фонариком во время этой авантюры, полагаясь только на наши колбочки. По этой причине красную подсветку применяют в приборах на кораблях и самолетах ночью, когда очень важно, чтобы пилот мог считывать показания, не теряя ночного зрения.

Увидеть красное

Цвет, подобно красоте, существует в глазах смотрящего. Это не свойство самого света, как впервые понял Томас Юнг в начале XIX в., предположивший, что чувство цвета зависит от трех видов пигмента. Цвет – продукт взаимодействия глаз наблюдателя с его мозгом. Юнг был совершенно прав в отношении трех пигментов колбочек. Цветное зрение у людей, как считается, могло развиться для того, чтобы видеть зрелые, оранжево-желтые, плоды на зеленых деревьях и желтоватые сочные молодые побеги, а для этого нужны три типа колбочек. Большинство млекопитающих, например собаки и кошки, имеют в колбочках фотопигмент всего двух видов и поэтому видят только ограниченный набор цветов. Вопреки распространенному мнению быки не видят красного. Другие существа живут в мире, лишенном красок. Но людям не стоит слишком гордиться, поскольку у нас далеко не самое лучшее цветное зрение в животном мире и нам не по силам тягаться с ротоногими ракообразными, у которых 10, а то и больше зрительных пигментов. Даже у тропических рыбок четыре-пять типов колбочек.

Мы можем видеть свет с длиной волны примерно 400–700 нм, т. е. спектр, на концах которого находятся синий и красный цвет. И здесь другие создания во многом превосходят нас и могут видеть волны, далеко выходящие за пределы этого диапазона. Гремучие змеи, летучие мыши-вампиры и огнецветки, например, воспринимают инфракрасное излучение с помощью специальных органов, реагирующих на тепло. Большинство птиц и насекомых имеют дополнительный фотопигмент, позволяющий им видеть в ультрафиолетовом спектре, а у цветков в процессе эволюции появились ультрафиолетовые метки на лепестках, привлекающие бабочек и пчел к своим запасам нектара. Самцы и самки лазоревки кажутся нам совершенно одинаковыми, но они различают друг друга по ярким отражающим ультрафиолетовое излучение перьям на хохолках. Как ни удивительно, но капельки мочи ярко высвечиваются в ультрафиолетовом излучении, и этим пользуются хищные птицы, выслеживающие мелких грызунов, которые метят мочой свою территорию. Северные олени тоже чувствительны к ближней области ультрафиолетового спектра, что, по всей видимости, помогает им находить пищу в тундре, поскольку в ультрафиолетовом излучении бледные лишайники, которыми они питаются, кажутся ярко-черными на фоне белого снега.

Помутневший хрусталик

Даже те цвета, которые мы видим, могут искажаться. Хрусталик глаза в начале жизни абсолютно прозрачен, однако с возрастом прозрачные белки, из которых он состоит, могут повреждаться ультрафиолетовым излучением и уплотняться, в результате чего они теряют прозрачность и приобретают желтоватый оттенок. По мере развития катаракты мир становится все более расплывчатым и неясным, а его цвета изменяются: белое становится тускло-желтым, зеленое – желтым, ярко-красное – мутно-розовым, а синее и лиловое – красным и желтым. Эти изменения цветов очень заметны на последних картинах Клода Моне. На восьмом десятке лет у него начала развиваться катаракта обоих глаз, и не исключено, что так любимый многими импрессионизм его картин в определенной мере является результатом все более расплывчатого видения мира. Художника очень расстраивало то, что плохое зрение не позволяло ему видеть цвета так же ярко, как прежде, и заставляло располагать краски на палитре в строго определенном порядке из опасения перепутать их. После 1915 г. преобладание красного и желтого цветов в его работах стало особенно заметным, а светло-голубые оттенки исчезли. Особенно тяжело давалось изображение водяных лилий на некоторых картинах, и Моне, решив, что он больше никогда не сможет нарисовать что-нибудь прекрасное, уничтожил несколько полотен. Когда ему перевалило за 80 и он почти ослеп, катаракту правого глаза удалили. Поначалу результат сильно разочаровал Моне, но после операции на втором глазу он вновь поверил в себя и написал свои поздние картины с водяными лилиями. Они были намного ближе к ранним работам, чем те, которые он писал с катарактой обоих глаз.

Ежегодно в Великобритании катаракту удаляют примерно у 120 000 человек. Многим из тех, кто живет достаточно долго, приходится делать такую операцию, ведь катаракта – распространенный побочный эффект старения. Эта операция довольно проста и дает поразительный эффект. После нее мир неожиданно становится резким, а цвета кажутся кристально чистыми. Как заметила моя мать, «грязно-желтые блузки, которые, казалось, мне никогда не отстирать, вдруг стали снежно-белыми – ну прямо как в рекламе стирального порошка». Некоторые могут также увидеть мир в совершенно новом свете. Хрусталик нашего глаза не только фокусирует свет, но и отфильтровывает ультрафиолетовое излучение. Большинству людей при хирургическом удалении катаракты имплантируют искусственный хрусталик. Но не всем. Те, кому его не имплантировали, начинают смотреть на мир новыми глазами, как пчелы и бабочки, они становятся восприимчивыми к ультрафиолетовому излучению, и все кажется им более ярким и более синим{23}. Моне не получил новых хрусталиков при удалении катаракты, и, возможно, именно поэтому в его поздних картинах стало больше розовато-лиловых и фиолетовых оттенков.

Удивительные факты, связанные с цветным зрением

В 1798 г. химик Джон Дальтон на одной из лекций в Манчестере дал описание своей собственной цветовой слепоты и опубликовал первый научный отчет об этом состоянии в сопроводительных материалах. Для Дальтона цвет травы был почти таким же, как цвет красного сургуча, и это привело его к мысли о том, что он видит либо красный, либо зеленый цвет иначе, чем другие люди. Ему также было трудно различать синий и розовый цвет, а еще, к его большому удивлению, многие цвета начинали выглядеть по-другому в свете свечи. Он написал: «Я не задумывался о необычности своего зрения до тех пор, пока случайно не обратил внимания на окраску цветка герани в свете свечи осенью 1792 г. Цветок был розовым, однако он казался мне почти небесно-голубым днем; в свете же свечи он изменился удивительным образом – теперь в нем не было ничего голубого, он имел цвет, который я называю красным, цвет, который разительно контрастировал с голубым».

Дальтон интерпретировал эти открытия как свидетельства того, что жидкость в полости его глаз окрашена в синий цвет и поэтому избирательно поглощает свет с большей длиной волны. Он поручил душеприказчику препарировать свои глаза после смерти, чтобы выяснить, так ли это. Этот ужасный эксперимент был должным образом выполнен, однако глазная жидкость оказалась совершенно бесцветной. Две сотни лет спустя появилась технология анализа ДНК, позволяющая установить настоящую причину цветовой слепоты Дальтона. К счастью, фрагменты его глаз были сохранены и находились в Манчестерском литературном и философском обществе. Как выяснилось, у него было наследственное заболевание, так называемая дейтеронопия.

Многие мужчины страдают нарушениями цветного зрения, связанными с мутациями в одном из трех зрительных пигментов колбочек, которые чувствительны к желто-зеленой, зеленой или сине-фиолетовой части спектра. Чаще всего поражаются желто-зеленый и зеленый фотопигменты. Примерно у 2 % мужчин полностью отсутствует один из пигментов, что приводит к патологии, называемой протанопия (отсутствие желто-зеленого фотопигмента) или дейтеронопия (отсутствие зеленого пигмента). А у 6 % мужчин смещен спектр одного из пигментов, и поэтому они видят соответствующий цвет по-другому. Во всех случаях человеку трудно различать красный и зеленый цвета, которые кажутся ему мутными желтовато-коричневыми. При подготовке цветных слайдов для презентаций всегда следует помнить, что некоторые из зрителей могут не отличать красный и зеленый цвета. Кроме того, страдающим цветовой слепотой может быть трудно отличить зрелый фрукт от незрелого, а некоторые блюда могут казаться им неаппетитными, имеющими цвет экскрементов. Гены желто-зеленого и зеленого зрительных пигментов находятся в Х-хромосоме, которая имеется у мужчин в одном экземпляре, именно по этой причине мужчин, не различающих красный и зеленый цвета, намного больше, чем женщин. У женщин ген из другой Х-хромосомы может замещать дефектный ген.

Некоторые люди, которых называют ахроматами, имеют редкую генетическую патологию – они видят только при помощи палочек и совершенно не различают цветов. Полная цветовая слепота, однако, встречается очень редко. Если взять человечество в целом, то частота такого заболевания составляет примерно 1 на 30 000, но, как пишет Оливер Сакс в своей книге «Остров страдающих цветовой слепотой» (The Island of the Colour-blind), оно больше распространено в Микронезии на острове Пингелап, где им страдает 5 % населения. Считается, что все они имеют общего предка, носителя мутантного гена, который оказался в числе двух десятков спасшихся после тайфуна, обрушившегося на остров в 1770-х гг. Ахроматопсия связана с полным отсутствием функционирующих клеток-колбочек. Чаще всего ее причиной является мутация цГМФ-зависимого канала колбочек, как в случае жителей острова Пингелап. Люди с такой мутацией не полностью теряют зрение. Однако яркий свет ослепляет их, и они с трудом видят при нормальном дневном освещении, поскольку их палочки перестают функционировать при высокой интенсивности света. Даже люди с «нормальным» цветным зрением не могут видеть мир совершенно одинаково. Варианты ДНК, несущие коды зрительных пигментов, вносят незначительные различия в наше восприятие цветов. Красный цвет, который вижу я, может отличаться от того, что видите вы.

15 ноября 1875 г. в шведском местечке Лагерлунда произошла ужасная железнодорожная катастрофа – столкнулись два скорых поезда, ехавшие навстречу друг другу по одноколейному пути. Машинист идущего в северном направлении поезда, выбившегося из графика, будто не видел красного фонаря, которым размахивал начальник станции, приказывая остановиться. Узнать, почему машинист проигнорировал сигнал, было невозможно, поскольку он погиб при столкновении. Физиолог профессор Аларик Фритьоф Холмгрен в результате расследования пришел к выводу, что причиной аварии стала цветовая слепота машиниста{24}. После этого случая Швеция ввела обязательное тестирование на образцах окрашенной ткани для определения способности различать цвета, этому примеру вскоре последовали и другие страны. В наши дни людям с цветовой слепотой запрещено заниматься определенными видами деятельности, включая пилотирование самолетов, а до недавнего времени в некоторых странах, например в Румынии, людям, не различающим цвета, даже не выдавали права на вождение автомобиля.

Услышь меня, услышь!

Наш мир полон звуков. Кантата Баха, грохот транспорта, шелест прибоя, шорох листвы, гомон детей, низкое гудение трансформатора, резкие крики стрижей – все это попадает в наши уши в виде волн и преобразуется мозгом в звуки, которые мы слышим. Наш слуховой аппарат очень чувствителен – мы можем слышать более тихие звуки, чем звяканье упавшей на пол булавки, и различать звуки, разделенные 1/30 полутона, наименьшего интервала музыкального строя в западной музыке. Как нам удается различать такой диапазон звуков и выделять негромкий голос из шумового фона?

Прекрасное описание того, как мы слышим, приведено в романе Олдоса Хaксли «Контрапункт» (Point Counter Point). «Понджилеони играл на флейте, безымянные скрипачи водили смычками, и от этого вибрировал воздух в большом зале, вибрировали стекла его окон; распространяясь дальше, вибрация наполнила воздух в комнате сэра Эдварда на другом конце дома. Колебания воздуха передались барабанной перепонке сэра Эдварда; молоточек, наковальня и стремечко пришли в движение, стали толкать перепонку овального окна и подняли микроскопическую бурю в жидкости лабиринта. Волоски слухового нерва качнулись, как водоросли в волнующемся море; цепочка непонятных чудес произошла в мозгу, и лорд Эдвард восторженно прошептал: “Бах”».

Наружная и внутренняя камеры уха. Показано, как смещение барабанной перепонки передается через три слуховые косточки (молоточек, наковальню и стремечко) к заполненной жидкостью улитке, где волосковые клетки преобразуют звуковые колебания в электрические импульсы.

По словам Хaксли, звук – это просто колебания воздуха, которые распространяются во все стороны от источника звука во многом подобно кругам, расходящимся по воде{25}. Именно их улавливают наши уши и направляют к барабанной перепонке, которая начинает колебаться в ответ. Ее движения, в свою очередь, передаются трем крошечным соединенным друг с другом косточкам – молоточку, наковальне и стремечку. Это одни из самых маленьких косточек в нашем организме, по размеру они не больше любой из букв в этом тексте. Косточки передают колебания другой перепонке – овальному окну. Здесь звуковые волны переходят из воздуха в жидкость, заполняющую каналы внутреннего уха, где чувствительные клетки преобразуют их в электрические импульсы. Импульсы поступают по слуховому нерву в мозг, который интерпретирует их.

Ухо должно реагировать как на интенсивность, так и на частоту (тон) звука. Нервные клетки не очень хорошо подходят для этого, поскольку у них максимальная частота испускания импульсов и диапазон интенсивности сигналов невелики. Тем не менее самый громкий звук, который мы можем слышать, в 100 000 раз сильнее самого тихого из различаемых нами звуков, а диапазон воспринимаемых тонов варьирует от 20 герц (т. е. 20 колебаний в секунду) до 20 000 герц. Что позволяет нашим ушам добиться этого?

Нарушение покоя

Самая важная часть уха – крошечный механизм, который фактически обеспечивает восприятие звука, – надежно укрыта в нашем черепе. Это улитка, заполненный жидкостью мешочек, свернутый спиралью, подобно раковине, внутри височной кости. Размером примерно с горошину в свернутом состоянии улитка достигает 35 мм в длину, если ее развернуть. Внутреннее пространство улитки разделено двумя мембранами на три канала. На нижней (базилярной) мембране расположены примерно 16 000 особых чувствительных клеток, называемых волосковыми клетками, они идут вдоль всей мембраны в четыре ряда: три ряда наружных волосковых клеток и один ряд внутренних. На вершинах волосковых клеток находятся пучки жестких волосков, так называемых стереоцилий, которые вытянуты в направлении покровной мембраны.

Область улитки, которая позволяет нам слышать, показана в состоянии покоя (слева) и в активном состоянии (справа). Смещение базилярной мембраны (справа) приводит к изменению положения волосков на кончиках волосковых клеток. При смещении внутренних волосковых клеток мы слышим звук.

Звуковые волны вызывают колебания в жидкости улитки с обеих сторон базилярной мембраны, заставляя перепонку вибрировать. Экспериментируя на трупах людей, венгерский инженер Георг фон Бекеши доказал, что звук движется вдоль базилярной мембраны как бегущая волна (подобно той, что наблюдается при щелчке кнутом) с возрастающей амплитудой, которая достигает пика в определенной точке мембраны, а затем быстро угасает. Место достижения пика зависит от частоты звука: высокочастотные звуки смещают больше всего основание базилярной мембраны, а низкочастотные – создают наибольшие отклонения у вершины улитки. Ничтожные перемещения базилярной мембраны передаются волосковым клеткам, заставляя их стереоцилии двигаться возвратно-поступательно и вызывать механическую деформацию, которая открывает специальные ионные каналы.

Такие механочувствительные ионные каналы являются центральным элементом слуха, поскольку именно они преобразуют звуковые волны в электричество или, точнее, механическую энергию в электрическую. Молекулярная структура таких каналов пока еще не изучена, однако механизм их открытия выяснен, и он не может не удивлять своей необычностью. Стереоцилии на волосковых клетках выстроены рядами убывающей высоты, а их кончики связаны друг с другом жесткими тонкими нитями, так называемыми «верхушечными связками». Один конец верхушечной связки присоединен также к механочувствительным каналам, которые расположены на кончиках стереоцилий. При движении базилярной мембраны вверх и вниз верхушечные связки натягиваются или сжимаются, соответственно открывая или закрывая ионные каналы. Когда каналы открыты, положительно заряженные ионы устремляются в клетку и изменяют градиент потенциалов на мембране волосковых клеток. Эффект такого изменения зависит от того, какой является волосковая клетка – внутренней или наружной.

Частотная избирательность

Внутренние волосковые клетки обеспечивают преобразование звуковых волн в электрические импульсы и передачу их слуховому нерву. Изменение разности потенциалов на мембране внутренней волосковой клетки, вызываемое звуком определенной частоты, инициирует выделение химического нейромедиатора. Он стимулирует генерирование импульсов в окончаниях слухового нерва и, таким образом, передачу сигналов в головной мозг. Внутренние волосковые клетки, находящиеся в разных точках базилярной мембраны, реагируют на разные частоты, причем те из них, что расположены у основания улитки, воспринимают высокие звуки, а те, что у вершины, – низкие. Такая частотная избирательность просто обусловлена амплитудой движения базилярной мембраны – напомню, что высокие звуки оказывают наибольшее воздействие у основания улитки. Нервные волокна, отходящие от различных участков базилярной мембраны, настроены, таким образом, на определенные частоты, что позволяет головному мозгу различать тон звука по тому, какие волокна активны. Этот сложный молекулярный механизм работает в вашей голове прямо сейчас, когда вы воспринимаете окружающие звуки.

Танцующие волосковые клетки

Наружные волосковые клетки значительно более многочисленны, чем внутренние. Хотя они играют незначительную роль, если вообще участвуют, в передаче звуковых сигналов в головной мозг, их наличие необходимо для обеспечения нормального слуха, поскольку эти клетки механически усиливают звуковые колебания, «танцуя» в такт волнам. Такое усиление принципиально важно для восприятия слабых, высокочастотных шумов, поскольку звуковые волны затухают при прохождении через заполненные жидкостью каналы внутреннего уха{26}. Без усиления сигнала внутренние волосковые клетки стимулируются недостаточно, чтобы активировать слуховые нервы. Улитковый усилитель, как его называют, также повышает способность уха различать частоты. Он мог появиться в процессе эволюции, чтобы помочь первым млекопитающим слышать слабый высокий писк детенышей, сейчас этот усилитель позволяет нам слышать даже писк летучей мыши.

Предположение о существовании естественного усилителя в ухе было высказано еще в 1948 г., но его отвергли и не вспоминали до конца 1970-х гг., когда оно было признано справедливым. Демонстрация того, что волосковые клетки могут «танцевать», дала ключ к разгадке его механизма. Наружная волосковая клетка движется в такт музыке, передаваемой непосредственно в клетку через связанный с усилителем электрод. Никогда не забуду посещение лаборатории Джонатана Эшмора в Университетском колледже Лондона, где я с удивлением наблюдала в микроскоп, как крошечная волосковая клетка отплясывала рок-н-ролл под мелодию «Rock around the Clock». Она ни разу не сбилась с ритма. Сокращения волосковой клетки вызывает белок престин, молекулярный мотор, чувствительный к разности потенциалов на клеточной мембране. Изменение разности потенциалов под действием внешнего электрического стимула заставляет клетку танцевать. В живом организме такие изменения разности потенциалов возникают в результате открывания механочувствительных ионных каналов в ответ на движение пучка волосков, вызванного, как выразился Хaксли, бурей в жидкости улитки. Раскачивание наружных волосковых клеток усиливает движение базилярной мембраны и стимулирование чувствительных внутренних волосковых клеток. Этот внутренний биологический усилитель лежит в основе нашей способности слышать очень тихие звуки. Высокие дозы аспирина ингибируют моторный белок и приводят к обратимой потере слуха.

Песня ушей

Как ни удивительно, но наши уши сами могут генерировать звуки. Технический термин для этого явления – отоакустическая эмиссия. Ее порождают наружные волосковые клетки. Колебания волосковых клеток вверх и вниз вызывают волны в жидкости улитки, которые переходят в колебания воздуха в среднем ухе и достигают в конечном итоге барабанной перепонки. Звуки, генерируемые здоровыми ушами, тише шепота, а у людей с повреждениями улитки они еще слабее. Тем не менее их можно зарегистрировать с помощью специального микрофона, помещаемого в ушной канал. Такие «песни ушей» используются врачами для оценки здоровья уха, а также для выявления нарушений слуха у младенцев. Это позволяет назначить ребенку слуховой аппарат или установить кохлеарный имплантат до того, как истечет временное окно, в течение которого учатся говорить.

Жизнь в царстве безмолвия

Хелен Келлер, которая была и слепой, и глухой, как-то заметила, что если слепота изолирует людей от вещей, то глухота изолирует людей друг от друга. Изоляция, растерянность, отчаяние и депрессия нередко преследуют тех, кто теряет слух, как горько отметил Людвиг ван Бетховен в своем «Гейлигенштадтском завещании», написанном в 32 года, через шесть лет после того, как он начал терять слух. «О, все, кто думает или говорит, что я озлоблен, упрям и нелюдим, как же вы ошибаетесь. Вы просто не знаете причины, которая сделала меня таким в ваших глазах… я не могу сказать “Говорите громче, кричите” из-за того, что я глух. <…> Я не могу обрести покой в кругу друзей, я не могу поговорить и обменяться мыслями. Я вынужден жить почти в полном одиночестве, как какой-нибудь изгой». К 45 годам Бетховен практически полностью оглох. Но хотя выступления стали невозможными, он продолжал писать музыку и дирижировать. На первом исполнении Девятой симфонии (ему тогда было 54) Бетховену пришлось повернуться к залу, чтобы посмотреть, аплодируют ли ему, ведь он совершенно ничего не слышал. При виде восторженно аплодирующей публики он прослезился.

В отличие от музыкантов глухой художник вполне способен продолжать творить. В случае Гойи это даже способствовало созданию лучших полотен. После серьезной болезни, полностью лишившей его слуха, художник оказался в совершенной изоляции и резко изменил содержание своих работ: он стал все больше концентрироваться на кошмарных фантазиях, мрачных видениях и сатирическом изображении поведения людей. Освободившись от отвлекающей какофонии повседневной жизни, как говорится, он увидел мир таким, каким тот был на самом деле. Впрочем, воспринимал ли сам Гойя, подобно искусствоведам, глухоту как дар Божий, большой вопрос.

Слушай сегодня, ибо завтра будет поздно

По оценкам, около девяти миллионов человек в Великобритании – ни много ни мало одна седьмая часть населения – страдают от потери слуха в той или иной мере. Как ни крути, с возрастом мы постепенно теряем способность воспринимать высокочастотные звуки. Алан Беннетт писал: «Я и не подозревал, что мой слух ослабевает, но… Р. спросил, слышны ли мне трели сверчков, и я не мог поверить, что ночь, насыщенная звуками, кажется мне тихой». Потеря способности слышать высокие звуки нередко происходит постепенно, почти незаметно, пока не обнаруживаешь, что слух пропал. Поэт Филип Ларкин обнаружил это, когда его друг однажды обратил внимание на то, как чудесно поет жаворонок, а он ничего не слышал. У Ларкина, как и у многих поэтов, частичная глухота вызвала приступ меланхолии. Возрастной потерей способности воспринимать высокочастотные звуковые колебания даже пользуются производители одиозного устройства под названием Mosquito, испускающего оглушительный высокочастотный вой, который слышат подростки, но не воспринимают взрослые. С помощью его причиняющего боль звука одно время разгоняли сборища бездельников и предотвращали антиобщественное поведение на улицах в Великобритании. Эта история имела неожиданное продолжение – сообразительные подростки выяснили частоту звуковых колебаний Mosquito и стали использовать ее в качестве рингтона в мобильных телефонах, который они могли слышать, а учителя нет.

Возрастная потеря слуха, наблюдаемая у всех без исключения, связана с постепенным естественным отмиранием волосковых клеток, которые не восстанавливаются. Громкий шум разрушает наш слух еще быстрее. Рок-музыкант Пит Таунсенд{27} мгновенно оглох на одно ухо во время широко известного случая, когда инсценированный взрыв оказался намного громче ожидаемого. Тысячи солдат, воевавших в Ираке и Афганистане, возвратились домой с необратимой потерей слуха в основном из-за взрывов придорожных мин. Грохот сражений, оглушительный звук на концертах поп-музыки, рев реактивных двигателей и техники – все это наносит нам тяжелый урон. Все дело в том, что наружные волосковые клетки очень чувствительны и могут необратимо повреждаться громкими шумами.

Слева. Нормальные волосковые клетки. Видны три слоя наружных волосковых клеток и, внизу, один слой внутренних волосковых клеток. Справа. Громкие шумы повреждают наружные волосковые клетки, а потом и внутренние.

Постоянное воздействие умеренно громких звуков также может приводить к необратимой потере слуха по той причине, что у частично поврежденных волосковых клеток нет времени на восстановление. Многие люди, нередко не понимая, что они делают, регулярно подвергают свои уши такому звуковому воздействию, которое может лишить слуха. Звуки громче 85 децибел, действующие продолжительное время, могут стать причиной потери слуха: такой уровень шума характерен для электрической дрели, мотоцикла, звукового сопровождения фильма в кинотеатре и многих других повседневных занятий. Этот уровень также ниже максимальной громкости многих портативных МР3-плееров. Не исключено, что тот, кто включает звук слишком громко и слушает его слишком долго, никогда не услышит голоса своих внуков. Как ни печально, но в течение ближайших десятилетий многим придется вникать в принципы работы уха намного глубже, чем хотелось бы.

Одним из первых признаков повреждения волосковых клеток является хронический звон в ушах, который называют тиннитусом. Музыкальный критик газеты The Times Ричард Моррисон, испытывавший имитирующее тиннитус устройство, описывает этот звук как отвратительный пронзительный свист, который превращает прослушивание музыки в кошмар. «Вы как будто слушаете плывущий звук какой-нибудь алжирской радиостанции сквозь треск старого радиоприемника. Только это еще мучительнее». Моррисон сразу же почувствовал облегчение, как только сбросил имитатор со своих ушей, но для тех несчастных, у кого разрушены волосковые клетки, тиннитус превращается в пожизненное испытание. Тишина для них никогда не бывает тихой. Бетховен, который начал сильно страдать от тиннитуса, когда ему еще не было и 30 лет, жаловался, что слышит свист и гудение день и ночь, и описывал свое состояние как совершенно ужасное. Это удивительно, что, несмотря на такой дефект, он мог создавать мировые музыкальные шедевры.

Хотя тиннитус нередко связывают с потерей слуха, это не всегда так, и многие страдающие от него слышат хорошо. По какой именно причине мы слышим эти внутренне генерируемые звуки, пока не ясно, однако известно, что это связано с изменениями в головном мозге.

Дело вкуса

Я впервые попробовала так называемый магический фрукт как-то летом в Пуэрто-Рико. Этот глянцевый овальный красный фрукт размером с кофейный боб является плодом кустарника Synsepalum dulcificum родом из Западной Африки. А славится он своей необычной способностью превращать кислое в сладкое. Я подержала плод во рту, ощущая прохладу и упругость мякоти, а потом осторожно разжевала, одновременно испытывая любопытство и опасение. У него была тонкая горькая кожица, желтая, чуть терпкая мякоть и ничем не примечательный вкус. Однако десять минут спустя я могла съесть лимон, не поморщившись, и запить его, в порядке эксперимента, уксусом. С закрытыми глазами было трудно узнать многие продукты, особенно своеобразный вкус имело пиво. К счастью, этот эффект исчез через пару часов.

Магический фрукт содержит белок, миракулин, который взаимодействует с рецепторами сладкого, позволяя им активироваться под действием кислых веществ. Существуют и другие натуральные модификаторы вкуса. Тот, кто когда-нибудь ел сырые артишоки, знает, что после них все, включая воду, кажется сладким{28}. Это связано с тем, что артишоки содержат цинарин, который, по всей видимости, подавляет активность рецепторов горького и усиливает активность рецепторов сладкого. Каким бы ни был механизм этого эффекта, он откровенно затрудняет выбор вина, которое можно пить при употреблении артишоков. В отличие от этого джимнемовая кислота, получаемая из южноазиатского травянистого растения Gymnema sylvestre, снижает интенсивность ощущения сладкого, но не горького, отчего многие блюда кажутся необычно горькими, а сахар приобретает вкус золы.

Вкусовые рецепторы – это не нервные клетки, а особая разновидность эпителиальных клеток (клеток, которые выстилают кишечник, ротовую полость и носовые проходы). Они живут очень недолго, заменяются каждые две недели и группируются в бочкообразные вкусовые сосочки. На поверхности языка человека находятся примерно 10 000 вкусовых сосочков, в каждом из которых от 50 до 100 вкусовых клеток{29}. Вкусовая клетка имеет длинный пальцеобразный отросток с тонкими волосками на кончике, в которых расположены вкусовые рецепторы. Отросток вытянут к отверстию вкусового сосочка на поверхности языка, где находятся возбуждающие вещества. Другой конец вкусовой клетки соприкасается с чувствительным нервом.

Мы можем различать пять основных вкусов – сладкий, соленый, кислый, горький и вкус белковых веществ (умами). Все многообразие вкусов, которые мы чувствуем, воспринимается, однако, в сочетании с запахами, поскольку эти два вида чувств действуют совместно. Именно поэтому чувство вкуса притупляется, когда человек простужен, а его нос заложен. Антельм Брилья-Саварен, гурман XVII в., рассказывал о встрече с человеком, у которого был отрезан язык, но который тем не менее полностью сохранил восприятие вкусов и запахов. Это позволило Брилья-Саварену сделать вывод о том, что «запах и вкус на деле являются единым чувством, где лабораторией служит рот, а ее трубой – нос».

Когда вы едите что-нибудь, вещества, содержащиеся в пище, растворяются в слюне. Это позволяет им присоединиться к рецепторам на кончике вкусовых клеток и, таким образом, инициировать последовательность событий, которые в конечном итоге приводят к выбросу химического медиатора из основания вкусовых клеток. Медиатор, в свою очередь, возбуждает чувствительный нерв, и нервные импульсы начинают передаваться в головной мозг, где в результате декодирования и обработки информации происходит идентификация вкусов.

Мы чувствуем разные вкусы потому, что стимулируются разные типы рецепторов. Два вкуса – соленый и кислый – непосредственно воспринимаются каналами, чувствительными к соответствующим ионам, т. е. к ионам натрия и ионам водорода (протонам). На соленое реагирует эпителиальный натриевый канал (ENaC), с которым мы встречались в предыдущей главе. На кислое реагируют несколько видов ионных каналов, чувствительных к протонам. Углекислый газ в шипучих напитках и в шампанском мы также чувствуем благодаря рецепторам кислого, поскольку при его растворении в воде образуются протоны. Любопытно, что некоторые производители газированной воды знали об этом задолго до того, как наука доказала правильность таких представлений, – названия sauerwasser{30} и seltzers указывают на кислый вкус. Слово «умами», происходящее от японского «умаи», означает «вкусный» и относится к вкусу пищи, содержащей глутамат натрия[28]. Некоторые рецепторы, реагирующие на глутамат, также являются ионными каналами. Как оказалось, функционирующих рецепторов умами нет у гигантской панды, однако связано ли это с тем, что, в отличие от других медведей, она придерживается исключительно вегетарианской диеты, непонятно.

Сладкие и горькие вещества не активируют ионные каналы непосредственно. Они присоединяются к специфическим рецепторам и дают начало каскаду биохимических событий, которые в конечном итоге открывают специализированный ионный канал (так называемый TRPM5), общий для обоих каскадов. Возможность отличать сладкое от горького возникает благодаря тому, что два типа рецепторов находятся в разных группах вкусовых клеток, которые отдельно посылают сигналы в головной мозг. Таким образом, что считать сладким, а что – горьким, решает мозг. У нас больше 20 различных рецепторов, реагирующих на горькое, и всего один, реагирующий на сладкое, – это объясняется эволюционным стремлением лучше идентифицировать горькие вещества, которые нередко ядовиты. Рецептор сладкого состоит из двух белков, и вариации любого из генов, кодирующих эти белки, обусловливают разную чувствительность к сладким веществам. Похоже, что одни люди действительно имеют более сильное пристрастие к сладкому, чем другие. Пониженная чувствительность к сахару наиболее распространена среди африканских народностей, живущих южнее Сахары. Это говорит о том, что способность чувствовать сахар более важна в холодном климате, где источники сахара более скудны. Однако в сегодняшнем обществе безудержное увлечение сладким порождает серьезнейшую проблему – ожирение и кариес неразрывно связаны с высоким потреблением тортов, мороженого и сладких напитков.

Мои пациенты, принимающие противораковые препараты, жалуются на то, что пища становится для них отвратительной на вкус – менее сладкой и более горькой. Это происходит потому, что, как и все остальные эпителиальные клетки, вкусовые клетки очень быстро обновляются и, таким образом, особенно чувствительны к химиотерапии, которая нацелена на быстро делящиеся клетки. На вкус также влияют сопутствующие факторы (хотя это в значительной мере область влияния головного мозга). Мне нравится запах кофе, но я перестала пить его больше 20 лет назад и давно пью только чай. Бывает, что мне иногда по ошибке приносят кофе, но когда я делаю глоток, его вкус кажется очень странным. Способность правильно идентифицировать букет также снижается, когда блюдо имеет не тот цвет. Малиновый сок будет на вкус не таким, если его цвет окажется оранжевым или зеленым. Попробуйте и убедитесь сами.

Как мы различаем запахи

Запахи, как точно подметил Марсель Пруст, могут пробуждать воспоминания прошлого. Живой и острый запах люпина, например, напоминает мне сад двоюродной бабушки, полный цветов, бабочек и жужжания пчел. А запах скошенного сена вызывает другие детские воспоминания – мне вспоминается, как я лежу на траве в деревне, слежу за игрой в крикет и слышу далекий голос кукушки и удивительно умиротворяющие шлепки кожаного мяча по бите.

Клетки, реагирующие на запахи, находятся высоко в носу, почти в семи сантиметрах от ноздрей. Это обонятельные нейроны, отростки которых тянутся к обонятельному эпителию в носу. Каждый нервный отросток оканчивается в небольшой группе обонятельных ресничек, тонких волосообразных отростков, выступающих в слой вязкой слизи, которая покрывает влажную поверхность носовой полости и значительно увеличивает чувствительную к запахам поверхность мембраны. Обонятельные рецепторы находятся на поверхности ресничек, где они улавливают запахи вдыхаемого нами воздуха.

У людей насчитывается примерно 350 типов обонятельных рецепторных белков{31}, причем каждый обонятельный нейрон несет белок только одного типа. Вместе с тем число различаемых нами запахов намного больше 350 – большинство людей способны чувствовать запахи многих тысяч веществ и зачастую очень тонко. «Хороший нос», например нос эксперта-парфюмера или сомелье, еще более чувствителен. Это говорит о том, что за восприятие конкретного запаха отвечает не специальный рецептор. Считается, что каждый рецептор распознает целый класс молекул (или конкретных характеристик молекул), что одно пахучее вещество может присоединяться к нескольким рецепторам и что различать запахи нам позволяет стимулирование определенных комбинаций рецепторов. Подобно буквам алфавита, из которых складывается огромное количество слов, различные сочетания обонятельных рецепторов дают море чистых запахов. Ароматы еще более сложны и разнообразны, поскольку они складываются из множества разных запахов.

Широко распространено мнение, что у людей плохое обоняние. Однако тесты показывают, что некоторые запахи мы воспринимаем почти так же хорошо, как и собаки, и намного лучше, чем крысы, и что мы легко превосходим высокочувствительные измерительные приборы. Одна из причин, по которым обоняние человека считается плохим, заключается в том, что наши носы, когда мы пребываем в вертикальном положении, находятся далеко от земли, а запахи наиболее сильны у ее поверхности и быстро рассеиваются воздушными потоками, стоит только приподняться повыше. Это хорошо видно, когда собака-ищейка идет по следу. Кроме того, несмотря на способность распознавать множество ароматов, большинство из нас не слишком хорошо умеют передавать различия словами. Так или иначе, мы справляемся с такой сложной задачей, как идентификация вина, и любой из нас без труда различит запахи апельсина и лимона, которые являются просто зеркальными формами одной и той же молекулы – лимонена[29].

Когда вы нюхаете розу, ее аромат переносится к обонятельному эпителию, где множество химических веществ, составляющих запах, присоединяются к рецепторам различных групп обонятельных нейронов. Каким именно образом пахучие вещества стимулируют соответствующие рецепторы, до сих пор неясно, по всей видимости, все определяется размерами и формой молекул. По одной из концепций они соединяются с рецептором по типу «ключ-замок». Точно так же, как правая перчатка подходит только для правой руки, «правые» молекулы присоединяются только к «правым» рецепторам. Это объясняет, почему апельсин и лимон (которые содержат «левые» и «правые» версии лимонена) пахнут по-разному. Присоединение пахучего вещества к его рецептору инициирует каскад событий в нейроне, который ведет к открытию ионного канала определенного типа – родственного тому, что имеется в палочках и колбочках, но с некоторыми отличиями – и возникновению тока, порождающего, в свою очередь, поток потенциалов действия в самом обонятельном нейроне. Эти импульсы проходят по обонятельному нерву к той области головного мозга, которая называется обонятельной луковицей, где они передаются другим нервным клеткам в более глубоких областях мозга. Одной из них является лимбическая система, которая участвует в регулировании эмоциональных реакций организма, именно поэтому запахи могут вызывать сильные эмоции и воспоминания.

Волокна обонятельных нервов тянутся из носа в головной мозг через отверстия в решетчатой пластинке черепа. В результате сильный удар по голове может вызвать сдвиг нервов относительно черепа и прекращение или нарушение нервных процессов, что обычно приводит к необратимой потере обоняния, а поскольку обоняние и вкус тесно взаимосвязаны, еще и к потере вкуса.

Обонятельные нейроны с различными типами рецепторов распределены в обонятельном эпителии случайным образом. В мозге, однако, они группируются так, что клетки, связанные с рецепторами одного типа, сходятся в одном и том же месте. Обонятельные нейроны в отличие от других нервных клеток обновляются очень быстро. Каждый из них живет всего около 60 дней, после чего заменяется новым нейроном, который развивается из обонятельной стволовой клетки. Чтобы сохранить свою локализацию в мозге, новые нервные клетки, несущие тот же тип рецепторов, должны всегда занимать одно и то же место в обонятельном эпителии. Как происходит это сложное восстановление связей, остается загадкой.

Король фруктов

Как и в случае большинства других ощущений, постоянное воздействие запаха вызывает постепенное привыкание к нему и потерю способности воспринимать. Большинство людей не замечают запаха собственного тела и даже духов, которыми пользуются некоторое время. Однако одни запахи теряются медленнее, чем другие. Дуриан почитают в Юго-Восточной Азии как самый изысканный фрукт. Он также является самым вонючим – настолько вонючим, что его запрещают провозить в самолетах и приносить в гостиницы. Как-то раз я увидела дуриан на китайском рынке в Лондоне и, зная о его репутации короля фруктов, купила и повезла на поезде в Оксфорд. Поездка длилась всего час, но за это время набитый вагон опустел из-за запаха дуриана, который распространялся из моей сумки. К станции я подъезжала в одиночестве. Запах был невыносимым – непередаваемая смесь ароматов давно не стираных носков и протухшей еды оказалась настолько отвратительной, что я не решилась принести дуриан домой и оставила его в лаборатории. На следующее утро, придя на работу, я выскочила из кабинета ошарашенная невыносимым зловонием. Первоначально я хотела попробовать этот фрукт на вкус в обеденный перерыв, но запах распространился по коридору и проник в вестибюль. Кругом стали интересоваться: «Что за подозрительный запах?» Нужно было что-то срочно делать. Вы можете спросить: действительно ли этот фрукт так вкусен? Увы, его вкус запомнился мне намного меньше, чем ужасная вонь, да к тому же он был не особенно приятным. Я не одинока. Французский натуралист Анри Муо заметил, «когда я попробовал его впервые, он показался мне похожим на протухшее мясо какого-то животного». Да, с таким вкусом стоило познакомиться.

Прикосновение

Осязание – способность чувствовать нежные прикосновения любимого человека, дуновение ветерка и объятия, от которых кости трещат, – играет важную роль в нашей жизни. Органы чувств в коже отвечают на механическое воздействие изменением электрического потенциала, которое инициирует генерирование нервных импульсов, несущих информацию в спинной и головной мозг. Как и в других чувствительных нервах, частота импульсов варьирует в зависимости от силы стимула – легкие прикосновения порождают меньше импульсов, чем сильные. Осязательные рецепторы также адаптируются к постоянному стимулированию, поэтому мы не замечаем давления одежды, которую носим.

Как в точности механическая энергия преобразуется в электрическую, остается загадкой, но совершенно ясно, что в этом процессе участвуют механочувствительные ионные каналы. Последние исследования показывают, что эти каналы связаны с внешней поверхностью клетки с помощью воротной тяги, похожей на ту, что существует в волосковых клетках уха. По всей видимости, надавливание на мембрану клетки вызывает натяжение тяги и искажение структуры канала, в результате чего он открывается. Чем больше деформируется мембрана, тем больше активируется канал и тем сильнее возбуждается нерв. Иногда нервные окончания, чувствительные к механическому воздействию, группируются в особые структуры, которые повышают их способность реагировать на изменения давления или колебания, подобные тем, что возникают, когда вы проводите пальцами по неровной поверхности. Конечный результат всегда один: механический стимул вызывает повышение частоты потенциалов действия в чувствительном нерве.

Некоторые любят погорячее

Наша кожа содержит рецепторы, чувствительные не только к давлению, но и к температуре и болевым раздражителям. Попробуйте откусить немного перца чили хабанеро, и он разорвется у вас во рту как зажигательная бомба. Жгучую боль вызывает химическое вещество капсаицин, которое содержится в разной концентрации во всех жгучих перцах. В 1912 г. Уилбур Сковилл составил шкалу силы перцев чили, определяя, насколько нужно разбавить экстракт перца, чтобы жгучий вкус перестал ощущаться кончиком языка. На шкале Сковилла сладкий болгарский перец занимает позицию ниже одной единицы, перец халапеньо находится на уровне 2500–5000 единиц, а знаменитый огненный Бхут Джолокия (Bhut Jolokia) – выше миллиона. Сила перцовых спреев, используемых для отпугивания медведей гризли и слонов, а также для защиты от злоумышленников, может быть еще больше: боевой перцовый спрей, находящийся на вооружении индийской армии, находится уровне двух миллионов единиц по шкале Сковилла.

Когда Майк Кейтерина и Дэвид Джулиус впервые выделили капсаициновый рецептор, оказалось, что это ионный канал. Присоединение капсаицина открывало пору и стимулировало электрическую активность чувствительного нерва. Канал открывался также при опасном нагревании. Перец чили вызывает ощущение жара потому, что он открывает чувствительный к нагреву ионный канал, и головной мозг, неспособный различить два раздражителя, интерпретирует действие обоих как жар. Такие каналы имеются не только на языке, они также присутствуют на коже пальцев, лица и других чувствительных частях тела – тот несчастный, который резал перец чили, очень быстро понимает, что он забыл помыть руки перед тем, как посетить туалет. В отличие от людей птицы нечувствительны к чили, поскольку их каналы мутировали и потеряли восприимчивость к капсаицину. Это идет на пользу растению – ведь его семена разносятся дикими птицами. Размолотый чили рекомендуют добавлять в корм для птиц – он отпугивает белок.

Если чили стимулирует тепловые рецепторы, то некоторые химические вещества взаимодействуют с рецепторами, чувствительными к холоду, заставляя организм воспринимать их как прохладные. Ментол, входящий в состав масла мяты, имеет мятный, свежий вкус потому, что он активирует ионный канал, реагирующий на низкую температуру. Этот канал структурно очень похож на капсаициновый рецептор, и сегодня нам известно, что существует целое семейство подобных каналов, так называемых TRP-каналов, каждый из которых реагирует на свой диапазон температур. Многие из этих каналов также чувствительны к едким или причиняющим боль химическим веществам – не просто к капсаицину, но и к таким субстанциям, как васаби (японский хрен), горчица, чеснок и камфора.

У некоторых змей термочувствительные TRP-каналы образуют нечто вроде естественного тепловизора, позволяющего им чувствовать тепло организма добычи, следить за ее движениями и хватать без промаха даже в темноте. Гремучие, или ямкоголовые, змеи обладают непревзойденной чувствительностью к инфракрасному излучению и способны реагировать на перепад температуры всего в 0,01 °С. Они имеют два исключительно чувствительных к теплу органа, так называемые термочувствительные ямки, расположенные на голове по бокам. Этот орган представляет собой полусферическую, отрытую наружу ямку, в которой находится тонкая термочувствительная мембрана. Отростки чувствительного нерва разветвляются по всей мембране, а их кончики усыпаны TRP-каналами, вернее, их разновидностью, обозначаемой как TRPA1, которые выполняют роль датчиков температуры{32}. Как предполагается, тепловое излучение активирует TRPA1-каналы, возбуждая чувствительный нерв и предупреждая змею о том, что рядом добыча или хищник. Летучие мыши-вампиры тоже используют TRP-каналы для обнаружения теплокровной добычи. Эти каналы находятся у летучих мышей в термочувствительных органах, расположенных вокруг носа.

TRP-каналы, однако, позволяют реагировать не только на температуру. Те из них, которые чувствительны к экстремальным температурам, служат также болевыми рецепторами и при стимулировании вызывают чувство боли. Этим объясняется причина, по которой трудно отличить воздействие сильного жара от воздействия сильного холода, т. е. прикосновение к огню от прикосновения ко льду. И в том, и в другом случае мы чувствуем только боль. Как красноречиво выразился Шелли, «сияющие оковы впивались своим обжигающим холодом в мои кости».

Эта ужасная боль

Боль может быть чрезвычайно полезной – это ценный сигнализатор, предупреждающий об опасности. Она говорит нам, что сковорода горячая, что нога попала в костер, что нагрузка слишком велика и могут разорваться мышцы, что мы простудились или поранились. Без нее можно обгореть, не заметить гноящейся раны или продолжать ходить со сломанной ногой, еще больше повреждая ее. Распространенный побочный эффект диабета – потеря чувствительности ног. Как следствие мозоли, нарывы и небольшие ранки могут оставаться незамеченными, приводить к заражению и в конечном итоге к ампутации больной ноги.

Помимо TRP-каналов в восприятии боли участвует один из десяти видов натриевых каналов человека. У некоторых людей этот канал, известный как Nav1.7, не работает. В результате их болевые нервные волокна не могут передавать потенциалы действия, и они не чувствуют боли, хотя осязание, чувствительность к температуре и давлению остаются совершенно нормальными. Такая патология – не подарок, поскольку боль нужна нам как сигнал опасности, а без функционирующих каналов Nav1.7 ушибы и переломы конечностей могут остаться незамеченными. Роль канала Nav1.7 в восприятии боли ученые выяснили в процессе обследования семьи пакистанского мальчика, который зарабатывал на жизнь уличными представлениями, где он пронзал свои руки ножом и ходил голыми ногами по горячим углям. На свое четырнадцатилетие он спрыгнул с крыши дома, чтобы доказать свою «крутизну», и умер от полученных травм. К счастью, боли он не чувствовал.

Не менее опасна другая патология натриевых каналов Nav1.7, при которой каналы остаются постоянно активированными. Такую патологию называют эритромелалгией, и она передается по наследству. Люди с таким заболеванием страдают от приступов сильной изнурительной боли, сопровождающейся покраснением и жжением рук и ног. По их словам, они чувствуют, будто горячая лава заливает тело, будто им приходится идти по горящим углям или раскаленному песку. Приступы провоцируются теплой погодой, физической нагрузкой, использованием одеяла в постели. Многие больные не могут носить обувь из-за боли. По всей видимости, канал Nav1.7 работает как усилитель боли: его чрезмерно высокая активность приводит к постоянной боли, чрезмерно низкая активность – к постоянной анестезии. Любопытно, что вариант гена Nav1.7 определяет болевой порог и является причиной того, что один и тот же раздражитель у одних людей вызывает более сильную боль, чем у других.

Любая боль идет от головного мозга. Это мозг получает сигналы от нервных волокон и говорит, что вы повредили, скажем, ногу. В генерировании болевого ощущения участвуют многие области мозга, они определяют, где болит, как сильно болит и какая эта боль – резкая, жгучая или тупая. Наше восприятие боли очень разнообразно. Даже когда входной сигнал от окончаний чувствительного нерва один и тот же, процесс его обработки сильно зависит от концентрации нашего внимания, настроения и ожиданий и может давать совершенно разный результат. Позитивный эмоциональный настрой способен превратить плацебо в эффективное обезболивающее, хотя в нем нет никаких активных ингредиентов, а страх перед болью может усилить ее.

Главной проблемой боли является то, что, получив ее сигнал, мы не можем отключить его. Еще хуже то, что у некоторых несчастных боль остается даже после того, как организм выздоровел. Подобная хроническая боль – очень распространенное явление, ее испытывают 15 % взрослых. Она может отравить и разрушить жизнь. Миллионы долларов тратятся ежегодно на болеутоляющие средства, но многие из них не слишком эффективны, а некоторые, например производные опиума, вызывают привыкание. Нам очень нужны более действенные средства, особенно для борьбы с хронической болью, которая нередко не снимается существующими лекарствами. Поскольку каналы Nav1.7 в основном сконцентрированы в болевых нейронах, лекарственное средство, специфически блокирующее их, возможно позволит устранять боль без побочных эффектов.

Какое облегчение

В детском возрасте я ненавидела визиты к стоматологу, которые ассоциировались с болью. С тех пор все изменилось. Современная стоматология совершенно преобразилась с появлением новых и более эффективных средств местной анестезии. Даже удаление нерва из корневого канала проходит безболезненно – самое худшее, что чувствуешь, это боль от укола, да и она притупляется нанесением поверхностного анестетика. Большинство препаратов для местной анестезии блокируют натриевые каналы, предотвращая передачу нервных импульсов от окончаний зубного нерва к головному мозгу. Стоматологи обычно предпочитают лидокаин из-за его быстродействия. Недостаток подобных средств, однако, заключается в том, что они не ограничиваются подавлением электрической активности болевых волокон, а влияют также на другие чувствительные и двигательные нервы, так что на протяжении нескольких часов после визита к стоматологу приходится мириться с кривой улыбкой и онемением челюстей. Что хотелось бы получить, так это специфический для чувствительных нервов анестетик.

Одним из путей достижения этого является идентификация типов ионных каналов, специфических для чувствительных нервов, и подбор препарата, который избирательно блокирует их. В настоящее время наилучшим объектом воздействия кажется канал Nav1.7, и целый ряд фармацевтических компаний занимаются поиском специфического для него ингибитора. Это не так просто, поскольку препарат должен, помимо прочего, проникать через оболочку нерва, не очень быстро разрушаться в организме и предпочтительно сохранять активность при приеме через рот. Разработка нового лекарства, кроме того, процесс длительный и чрезвычайно дорогой. В результате приходится ждать и надеяться, что когда-нибудь все же не придется покидать кабинет стоматолога с замороженной челюстью.

Все чувства в голове

Информация от органов чувств поступает через чувствительные нервы в виде электрических импульсов в головной мозг. Таким образом, прямая стимуляция чувствительных нервов, минуя органы чувств, должна вызывать соответствующие ощущения. Это очень наглядно продемонстрировал Исаак Ньютон в середине 1660-х гг. Он пишет, что при надавливании небольшой тупой иглой на область между глазным яблоком и задней частью глазной впадины «появляется несколько белых, темных и цветных кругов». Впрочем, в столь опасном эксперименте нет необходимости, цветные круги можно увидеть, легонько надавив на закрытое веко. Надавливание стимулирует сетчатку и, таким образом, зрительный нерв, и мы воспринимаем его как свет. Прямое стимулирование электрическим током той области мозга, которая отвечает за зрение, оказывает такое же действие даже у слепых.

Ньютон также отмечает: «Круги становились наиболее отчетливыми, когда я массировал глаз кончиком тупой иглы, а когда глаз и игла были неподвижными, хотя надавливание не прекращалось, круги бледнели и нередко исчезали до того момента, пока глаз или игла не начинали двигаться». Как вы теперь понимаете, общим свойством нервной системы является постепенное ослабевание реакции на постоянно действующий раздражитель. Мы запрограммированы так, что сильнее всего реагируем на изменения в окружающей среде и перестаем обращать внимание на то, что не меняется. Такая способность дает очевидное эволюционное преимущество.

Чувственное восприятие затем передается в виде электрических сигналов. Это мозг интерпретирует шквал нервных импульсов и определяет – исходя из того, откуда они пришли, – что они означают. Когда мозг перестает обращать внимание на входящие сигналы, мы можем смотреть на мир, но ничего не видеть, а когда сигналы конфликтуют, возникают иллюзии. Мозг работает не просто как приемник, он может настраивать чувствительность наших органов чувств и модифицировать информацию, которую они получают. Наше восприятие зрительных образов, звуков, запахов и т. д., таким образом, является результатом двухстороннего взаимодействия органов чувств и мозга. Перейдем теперь к тому, какую роль наш мозг играет в этой пляске чувств, как модифицирует и обрабатывает разрозненную информацию, поступающую от органов чувств, как объединяет ее для получения полной чувственной картины мира. Для этого нам нужно сначала понять, как мозг связан с органами чувств.

Глава 10

Все связано

Люди должны знать это от мозга, только в мозгу рождаются наслаждение, радость, смех и шутки, а также наши печали, боль, скорбь и слезы. С его помощью мы, в частности, думаем, видим, слышим, отличаем уродливое от красивого, хорошее от плохого, приятное от неприятного.

Гиппократ. Трактат «О священной болезни»

Здравствуйте! Я рада встрече с вами, и мне особенно приятно, что вы добрались до этого места. Надеюсь, что вам было интересно читать. Или вы просто взяли эту книгу и она случайно открылась на этой странице? Как бы то ни было, задумайтесь на мгновение о том, насколько удивительно то, что я могу так легко общаться с вами через пространство и время. Сделать это мне позволяет огромное число таинственных электрических чудес, происходящих в вашем мозге.

Когда вы читаете (или слышите) мои слова, чувствительные клетки глаз или ушей воспринимают информацию, которую несет свет или звук, и преобразуют ее в электрические сигналы. Но это только начало процесса – информация затем преобразуется в химический сигнал и вновь в электрический однократно или много раз, пока она дойдет от органа чувств до мозга. И информация, которая сначала была разбита на небольшие удобоваримые фрагменты, потом обрабатывается и вновь объединяется в несколько сенсорных карт в поверхностных слоях мозга. Еще более удивительно то, что такая информация – распределение электрических сигналов, проскакивающих по вашим нервным клеткам, – интерпретируется как язык, а дополнительный набор электрических разрядов позволяет распознать слова и понять, что я имею в виду. Если вам нравится, что я говорю, вы можете улыбнуться. А если вы не понимаете меня или считаете мои слова пустыми, то можете чувствовать раздражение и даже (надеюсь, до этого не дойдет) скуку. Это тоже эмоции, вызываемые моими словами, результат химических всплесков в вашем мозге, стимулирующих еще больше нервных клеток. Но самое поразительное, самое невероятное заключается в том, что личность, разговаривающая, пишущая эти слова, – да и ваша личность тоже – заключена в небольшом комке желеобразной массы, которая умещается в пригоршне, весит не более полутора килограмм и называется мозг. Мы электрические создания, вы и я, и представляем собой всего лишь невероятно сложную и непрерывно изменяющуюся совокупность электрических и химических сигналов.

Маленькие серые клеточки

Наш мозг – одно из самых сложных устройств на планете. В нем около 100 млрд нервных клеток, и каждая из них связана с многими тысячами других. Это триллионы соединительных линий – их столько же, сколько во всех телефонных системах земного шара вместе взятых, и слишком много, чтобы полностью осознать. Однако мозг – это не просто огромная масса взаимосвязанных нервных клеток, это высокоорганизованная структура, разные части которой специализированы и нацелены на выполнение разных задач.

Самой важной областью мозга – той, что отвечает за наши мыслительные процессы и действия, – является передний или большой мозг. На него приходится примерно 80 % массы человеческого мозга, и он разделен на два зеркальных полушария, каждое из которых взаимодействует в основном с одной стороной тела. По неизвестным причинам каналы связи в нем располагаются крест-накрест: нервы от левой стороны тела идут к правому полушарию, а от правой стороны – к левому. Полушария связаны друг с другом мозолистым телом, информационной супермагистралью мозга: перережьте ее, и вы не сможете сказать, что находится в левой половине поля зрения, поскольку ее образ формируется в правой части мозга, а речь обрабатывается в левой части.

На поперечном разрезе мозга человека представлены его основные области.

Наружный слой переднего мозга, так называемая кора головного мозга, образован тонким слоем нервных клеток, имеющим множество складок, которые увеличивают площадь поверхности. Кроме того, складки позволяют более полно использовать внутричерепное пространство. Складчатая структура мозга делает его похожим на ядро грецкого ореха. Именно этот слой клеток толщиной четыре миллиметра позволяет нам думать, осознанно совершать действия, чувствовать, обучаться и помнить, в нем существуют области, специализирующиеся на выполнении разных функций. Под внешней оболочкой из нервных клеток находятся нервные волокна, которые тянутся в разных направлениях и связывают нервные клетки коры друг с другом. Этих соединений так много, что кора головного мозга большую часть времени разговаривает сама с собой.

Под передним мозгом лежат области, которые участвуют в управлении эмоциями, в регулировании аппетита и сна и которые действуют как ретрансляционные узлы, обрабатывающие информацию от органов чувств и направляющие ее в кору головного мозга. Еще ниже, у основания мозга, находится стволовая часть, которая связывает верхние области головного мозга со спинным мозгом. Она управляет всеми нашими бессознательными действиями: здесь находятся центры, регулирующие дыхание, кровяное давление, частоту сердцебиений, пищеварение и т. д. Эти области могут жить и функционировать, даже когда нарушаются функции головного мозга более высокого уровня, такая патология известна как устойчивое вегетативное состояние, а людей, пребывающих в нем, нередко называют «овощами». Стволовая часть мозга имеет структуру, сходную с той, что есть у многих других живых существ, и она выполняет ту же роль – иногда ее даже называют рептильным мозгом.

В задней части мозга чуть выше стволовой части расположен мозжечок (или «малый мозг»), который помогает сохранять равновесие и координирует движения. Он участвует в выполнении сложных моторных задач, таких как катание на велосипеде, вождение автомобиля и исполнение заглавной партии в балете «Сильфида». Повредите его, и вы не сможете ходить нормально, а будете шататься как пьяный.

Главный герой многих повестей Агаты Кристи, детектив Эркюль Пуаро, очень гордился своими «маленькими серыми клеточками». Он называл их так потому, что, хотя живой мозг имеет розовато-коричневую окраску, заспиртованные нервные клетки становятся серыми, и их называют серым веществом. В то же время нервные волокна выглядят белыми в заспиртованном виде (из-за миелиновых оболочек), поэтому их называют белым веществом. Мозг, однако, состоит не только из нервных клеток. В нем почти столько же поддерживающих клеток, называемых глией, которые помогают ориентировать развивающиеся нервные клетки в нужном направлении, снабжают их питательными веществами, покрывают миелиновой оболочкой и защищают от инфекций. Деликатные ткани мозга окружены мембранами (оболочками головного мозга) и защищены черепом. В черепной коробке мозг плавает в море цереброспинальной жидкости, которая выполняет роль амортизатора и защищает мозг от повреждения при ударах головы точно так же, как околоплодная жидкость защищает ребенка в утробе матери.

Мозг обильно снабжается кровью, и многие умирают, а еще больше людей становятся инвалидами в результате закупорки или разрыва кровеносных сосудов мозга, например при инсульте. Прекращение кровоснабжения в этом случае приводит к гибели прилегающих нервных клеток из-за недостатка кислорода и питательных веществ, а также накопления токсичных продуктов жизнедеятельности. Нервные клетки, однако, не имеют непосредственного контакта с кровью, их защищает гематоэнцефалический барьер. Он представляет собой слой клеток, выстилающих мельчайшие кровеносные сосуды и так плотно прижатых друг к другу, что они не допускают смешения крови и цереброспинальной жидкости. Гематоэнцефалический барьер – это надежная защита от токсичных веществ и возбудителей инфекции, таких как бактерии и вирусы, переносимые током крови.

Ствол головного мозга соединяется непосредственно со спинным мозгом. Когда вы хотите пошевелить пальцами рук и ног, сигналы головного мозга идут к их мышцам через спинной мозг и периферийные нервы. Нервы, которые выходят из спинного мозга в поясничной области и ниже, обслуживают мышцы ног; а те, что выходят из него в области шеи, передают сигналы рукам. Повреждение нервов спинного мозга ведет к прерыванию передачи электрических сигналов и к параличу или потере чувствительности, поскольку все, что находится ниже повреждения, перестает функционировать должным образом. Люди с повреждениями спинного мозга в средней части спины теряют способность ходить, но по-прежнему могут дышать и двигать руками. А при переломе шеи человек может потерять подвижность и чувствительность рук. Некоторые повреждения приводят даже к потере способности самостоятельно дышать.

Поврежденные нервные волокна головного и спинного мозга так и не восстанавливаются, и люди с такими повреждениями навсегда остаются инвалидами. Это было известно еще древним египтянам, которые указывали, что человек со «смещением шейных позвонков» не чувствует рук и ног и не поддается излечению. За прошедшие 3700 лет ничего не изменилось. Однако это не относится к периферическим нервам. Мой отец поранил пальцы и повредил их нервы, когда регулировал лезвие в старой газонокосилке. Его пальцы потеряли чувствительность, и это было страшным ударом для гончара. Но потом, примерно в течение года, чувствительность восстановилась – нервы отрастают очень медленно, менее чем на два миллиметра в день.

Как увидеть отдельную клетку

Отдельные клетки головного мозга настолько крохотны, что их невозможно было увидеть до изобретения микроскопа. Но даже и после этого огромная масса переплетенных клеток мозга и нервных стволов не позволяла ясно разглядеть отдельные клетки без специального контрастного красителя. Именно такой краситель и создал Камилло Гольджи в 1871 г.

Гольджи работал врачом в психиатрической больнице в северной Италии, но его истинным увлечением было изучение анатомии головного мозга, которым он занимался на своей старой кухне, переоборудованной в лабораторию. После многочисленных проб и ошибок он обнаружил, что сочетание бихромата калия и нитрата серебра окрашивает произвольно отдельные нервные клетки, но зато целиком. Как ни парадоксально, самым главным в методе Гольджи является то, что он срабатывает исключительно редко, но благодаря этому окрашиваются лишь несколько клеток и появляется возможность разглядеть паутинообразную структуру отдельной клетки во всей ее красе со множеством тончайших дендритов и нитевидным аксоном.

Рисунок нейрона Пуркинье (А) и шарового нейрона (В) из мозга голубя, выполненный Сантьяго Рамоном-и-Кахалем в 1899 г. Клетки окрашены с помощью метода Камилло Гольджи. Небольшие «узелки» на дендритах – это дендритные шипики.

Выдающийся испанский анатом Сантьяго Рамон-и-Кахаль впоследствии сделал ряд изумительно красивых рисунков нервных клеток, визуализированных с помощью метода окрашивания Гольджи. У него были способности к рисованию, и он поначалу хотел стать художником, но отец убедил его заняться медициной. В этом случае ему понадобились две профессии. Опираясь на свои наблюдения, Кахаль предположил, что каждая нервная клетка является самостоятельным образованием и физически отделена от соседних клеток. Это привело к спору с Гольджи, который думал иначе. Правым, в конце концов, оказался Кахаль.

Поскольку окрашивание серебром визуализирует в деталях очень небольшое число нейронов, оно не позволяет увидеть, как нейроны взаимосвязаны. Для этого нужно было как-то пометить соседние клетки другими цветами. Необходимый процесс разработали в 2007 г., когда появилась возможность, используя молекулярно-генетические методы, пометить нейроны разными цветами. По аналогии с экраном телевизора, где всего три цвета воспроизводят множество оттенков, три разные генетически кодируемые флуоресцентные краски окрасили мозг мыши в разные цвета. В одной из областей похожего на радугу мозга мыши можно было различить более 90 разных оттенков и, таким образом, проследить соединения между нейронами. Получился не просто научный результат, а настоящее произведение искусства.

Как разобрать мозг на части

Получение представления о том, как устроен мозг, как информация перетекает из одной области в другую и как информация кодируется и обрабатывается, является одной из самых сложных задач неврологии. В электронных приборах, например в радиоприемниках, электрическая схема детально раскрывает все соединения между компонентами и дает представление о том, как по цепи передается информация. На нашей планете есть только одно живое существо, для которого составлена полная схема нервной системы, и это существо – микроскопический червь Caenorhabditis elegans, живущий в почве. Он является научной супермоделью, которая привлекает к себе больше глаз, чем проход манекенщиц по подиуму во время демонстрации последних новинок моды. Поскольку червь так мал, а его нервная система предельно проста, мы знаем каждую его нервную клетку и все их соединения. У него 302 нейрона, около 5000 химических синапсов, 600 электрических синапсов и 2000 нервно-мышечных соединений.

Невероятная сложность мозга человека и трудность идентификации отдельных соединений превращает создание аналогичной схемы для нашего мозга почти в неразрешимую проблему. Вдобавок такая схема у каждого человека своя, да еще и изменяется по мере того, как он приобретает новые навыки и опыт. Вместе с тем нельзя сказать, что мы совершенно не знаем, как наш мозг работает.

Предположение о том, что разные части мозга специализируются на выполнении конкретных функций, впервые выдвинул Франц Йозеф Галль в начале XIX в. После тщательного изучения черепов своих друзей, пациентов, обитателей местной психиатрической лечебницы и заключенных в тюрьме он пришел к выводу, что разные области мозга отвечают за разные проявления мыслительной деятельности, такие как отвага, осторожность, целеустремленность, остроумие и технические навыки, и что это отражается на размере и форме окружающего мозг черепа. Харизматический оратор, Галль разъезжал по всей Европе с публичными лекциями, пропагандирующими его идеи, и даже как-то раз выступил перед королевской семьей в Германии. Он также собрал коллекцию из 300 человеческих черепов и более сотни гипсовых слепков. Однако, несмотря на то, что френология, т. е. практика определения характера человека по бугоркам на его голове, на некоторое время вошла в моду, у нее не было научной основы.

Первые реальные представления о том, какую роль играют разные области мозга, были получены путем наблюдения за людьми, мозг которых был поврежден в результате травмы или болезни. Один из самых известных случаев был связан с человеком по имени Финеас Гейдж. Гейдж был бригадиром и 13 сентября 1848 г. руководил группой рабочих, занятых на строительстве железнодорожного полотна недалеко от города Кавендиш в штате Вермонт. Он занимался подготовкой взрыва большого валуна и с помощью стального прута (диаметром около трех сантиметров, длиной больше метра и весом порядка шести килограммов) утрамбовывал порох в просверленном отверстии. К несчастью, прут выбил искру при ударе о камень, порох воспламенился, и прут пронзил череп Гейджа. Он вошел в левую щеку, повредил глаз, вышел через макушку и, пролетев 25 метров, упал на землю. Гейдж «опрокинулся на спину, его конечности несколько раз конвульсивно дернулись», но, как ни удивительно, уже через несколько минут он разговаривал, смог сидеть в экипаже, на котором его везли в гостиницу, и даже прошел один лестничный пролет. Врач, который первым осматривал его, отказывался верить в произошедшее, пока Гейджа не стошнило и «от спазма из его головы не выплеснулось на пол примерно полчашки мозгового вещества». Второй врач, прибывший через полтора часа, нашел Гейджа в сознании, но отметил, что «он и вся его кровать были перепачканы запекшейся кровью».

Хотя Гейдж и выздоровел физически, скоро стало ясно, что травма изменила его личность. Прежний уравновешенный, дружелюбный, энергичный, трудолюбивый уважаемый всеми человек стал трудно сдерживаемым, нерешительным, несговорчивым и «отчаянным сквернословом». Это был, как говорили его друзья, совершенно другой человек. История Гейджа показывает, что особенности нашей личности и эмоции связаны с функционированием определенных областей мозга. Повреждение лобной доли коры головного мозга привело к неуместному поведению Гейджа и к потере социальных тормозов.

Другим несчастным, чей недуг приоткрыл завесу тайны над локализацией различных функциональных областей мозга, был месье Леборн, который не мог говорить и произносил только слово «тан», когда Поль Брока осматривал его в 1861 г. Вскоре после этого Леборн скончался, и вскрытие показало, что небольшая область левого полушария его головного мозга была повреждена. Эта часть мозга, увековеченная как область Брока, отвечает за управление речевой функцией. Несколько лет спустя Карл Вернике нашел несколько человек, страдающих другим расстройством речи: они, хотя и могли ясно и бегло произносить слова, говорили бессвязно, их фразы представляли собой бессмысленный поток слов, однако структура предложений была более-менее правильной, например: «Я не могу говорить все, что я делаю, и часть части я могу идти как надо, но я не могу отличить других людей». Сейчас мы знаем, где находится область мозга, участвующая в управлении речью. Область Вернике находится на некотором отдалении от области Брока ближе к задней части мозга.

Для большинства целей левое и правое полушария нашего мозга симметричны. Речевой центр, однако, находится в основном в левом полушарии. Нарушение кровообращения левого полушария может, таким образом, привести к параличу правой половины тела и к потере речи. В то же время нарушение кровообращения правого полушария приводит к параличу левой половины тела, но очень незначительно затрагивает речь. Удивительно, но люди с повреждением области Брока могут спеть слова, которые они не в состоянии произнести, – по всей видимости, пением управляет совершенно другая часть мозга.

Внешнее стимулирование как инструмент исследования

Другим способом определения, какую функцию выполняет та или иная область мозга, является прямое стимулирование слабым электрическим током. Одним из первых, кто стал систематически пользоваться этим способом, был Эдуард Гитциг. В середине 1800-х гг. он экспериментировал на прусских солдатах, у которых в результате ранения был раздроблен череп и часть мозга оказывалась обнаженной. Гитциг заметил, что воздействие слабым электрическим током непосредственно на мозг вызывает непроизвольное сокращение мышц. Позднее эксперименты на собаках показали, что небольшой участок коры, который сейчас называют двигательной областью коры головного мозга, управляет движениями определенных частей тела.

Аналогичным образом были локализованы области коры, которые отвечают за восприятие звуков, зрительных образов, а также за осязание. На верхней части головного мозга находится соматосенсорная система. Здесь сигналы, поступающие от рецепторов в коже, организуются таким образом, что один и тот же участок кожи связывается с одной и той же областью мозга: голени, стопы, пальцы рук и пальцы ног связаны со своими собственными частями мозга. Более чувствительным частям тела, таким как губы, пальцы и гениталии, соответствуют более крупные области мозга с более значительным числом нейронов, чем менее чувствительным частям, например пояснице. Аналогичным образом сигналы от каждой части поля зрения глаз поступают к своему участку зрительного центра коры в задней части мозга, а звуки распределяются в соответствии с частотой в слуховой зоне коры головного мозга. На самом деле похоже, что для каждого чувства в мозге создаются несколько подобных карт: в мозге, как в хорошей машине, может предусматриваться дублирование. Информация, однако, не поступает в центры обработки напрямую, она проходит через множество ретрансляционных станций и в значительной мере обрабатывается по пути.

Возможность вызывать ощущение и действие простым стимулированием определенной области мозга имеет очень большую клиническую значимость. Она нередко используется при проведении операций на мозге, поскольку позволяет убедиться, например, в том, что хирург, удаляющий опухоль, иссекает нужный участок и ничего больше. Во время такой операции пациент находится в сознании и может сказать, что он чувствует: операция безболезненна по той причине, что в мозге нет болевых рецепторов, чувствительность болевых волокон в коже, покрывающей череп, подавляют с помощью местной анестезии. Подобные операции также дают полезную информацию о том, где находятся центры памяти и обработки слов.

Мозговые волны

Поначалу к исследованию мозга подходили во многом подобно маленькому ребенку, разбирающему новую заводную игрушку, чтобы посмотреть, как она устроена. Позднее появились неинвазивные методы изучения работы мозга, которые позволяют просто наблюдать за происходящим с помощью регистрации активности мозга.

Первым из таких методов стала электроэнцефалограмма (ЭЭГ), т. е. запись мозговых волн. Если электрическую активность клеток сердца можно зарегистрировать с помощью электродов, прикрепляемых к грудной клетке, то происходящее в мозге можно записать через множество электродов, прикрепляемых к черепу с помощью электропроводного геля. Электроды воспринимают ничтожные изменения напряжения, возникающие в результате активности миллионов нервных клеток в поверхностном слое мозга. Мозговые волны выглядят как колебания напряжения, частота и амплитуда которого непрерывно меняется в зависимости от того, какие области мозга проявляют активность, а какие переходят в состояние покоя. ЭЭГ сложнее снять, чем электрокардиограмму, и намного труднее расшифровать. Это немного смахивает на попытку получить представление о сложных взаимоотношениях между людьми в большом городе, прослушивая одновременно все их телефонные разговоры: несколько не связанных друг с другом разговоров ни о чем не говорят, а когда их количество огромно, выделить отдельные разговоры становится невозможно.

Это означает, что ЭЭГ имеет довольно ограниченную ценность как исследовательский инструмент. Тем не менее она все же дает некоторое представление о том, что делает мозг, и особенно полезна при исследованиях сна и приступов эпилепсии, во время которых происходит заметное изменение ЭЭГ. Первая ЭЭГ была снята в 1924 г. Гансом Бергером, однако лишь несколько лет спустя ее клиническая ценность стала очевидной, когда заметили, что эпилептический припадок сопровождается очень значительным усилением активности мозга – фактически «электрическим землетрясением». Позднее выяснилось, что ЭЭГ можно использовать не только для регистрации приступа, но и для выяснения его происхождения.

ЭЭГ применяется также для контроля глубины анестезии и для того, чтобы определить, умер человек или он находится в коме. В большинстве стран смерть определяется как прекращение электрической активности мозга, и юридически человек считается умершим, когда исчезают мозговые волны, хотя остальные клетки могут сохранять жизнедеятельность еще долго после этого. Такое определение не только разумно, но очень важно для трансплантации органов. Оно означает, что сокращения сердца умершего, а вместе с ним и жизнь большинства органов можно поддерживать искусственно, сохраняя их для трансплантации и спасения другого человека.

Наблюдение за работой мозга

В последние десятилетия новые средства визуализации значительно расширили наши возможности по изучению живого мозга. Сканирование позволяет глубоко заглянуть в мозг и дает намного более качественную картину происходящего в разных областях, чем ЭЭГ. В отличие от ЭЭГ при сканировании не происходит прямой регистрации электрической активности мозга. Функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ), например, обеспечивает регистрацию кровотока в мозге, а позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) – метаболическую активность клеток головного мозга. Оба эти метода считаются связанными с электрической активностью мозга, поскольку повышение активности нервной клетки сопровождается ростом потребления энергии и, следовательно, усилением обмена веществ. Нервные клетки не имеют внутренних запасов питательных веществ, и поэтому, чем выше их активность, тем больше глюкозы должна доставлять к ним кровь. В результате приток крови к активизировавшейся области мозга тоже повышается.

Функциональная магнитно-резонансная томография является ценным инструментом изучения работы мозга, поскольку этот метод можно применять для обследования добровольцев, находящихся в сознании. Он показал, как меняется характер электрической активности мозга во время сна, при анестезии, при эпилепсии и при выполнении обыденных задач вроде обучения, запоминания, разговора и даже обдумывания. Простое сканирование мозга человека, когда ему задают вопросы, показывают картинки или просят подумать о чем-нибудь, позволяет идентифицировать активную область мозга. Попросите кого-нибудь подумать об игре в теннис, и поступление крови к двигательной области коры головного мозга возрастет при мысли о взятии свечи или о сильной подаче. Области Брока и Вернике включаются, когда вы говорите, подтверждая то, что было обнаружено при обследовании больных с поврежденным мозгом, а центры удовольствия резко активизируются, когда курильщик думает о сигарете.

Технология сканирования мозга изменила наши представления о работе мозга и том, что мы думаем о самих себе. Однако не следует забывать, что даже самая маленькая область мозга, которую позволяет различить сканирование, содержит многие сотни или тысячи нейронов и регистрируется (косвенно) лишь их суммарная активность. Поэтому существует огромный разрыв между нашими глубокими и детальными знаниями о том, что происходит на уровне отдельной нервной клетки, и представлениями о взаимосвязанной работе нервных клеток, порождающей электрическую активность мозга.

МРТ– и ПЭТ-сканеры являются также бесценными диагностическими инструментами в клинической практике. Они позволяют выявлять поврежденные области мозга, опухоли и участки мозга, с которыми связаны эпилептические припадки. В случае операции наличие детальной картины с точным расположением проблемного участка и его связями с ключевыми областями мозга снижает вероятность побочных повреждений.

Не так давно группа ученых из Кембриджского и Льежского университетов показала, что можно связываться с мозгом людей напрямую, если просто попросить мысленно ответить на заданный вопрос «да» или «нет», а потом проанализировать томограмму. Не то чтобы можно определить, думает ли человек «да» или «нет», но если вас приглашают поиграть в теннис и вы соглашаетесь, то можно зарегистрировать реакцию двигательной области коры вашего мозга, а если вам предлагают показать, где находится ваш дом, а вы не хотите этого делать, то возбуждается совсем другая область мозга. Локализация активности мозга настолько характерна, что даже неопытный наблюдатель может идентифицировать ответ испытуемого почти со 100 %-ной точностью. Хотя такая возможность общаться с кем-нибудь кажется довольно фантастической, еще более невероятным является тот факт, что четыре из 23 больных в устойчивом вегетативном состоянии могут давать правильные ответы на вопросы при условии, конечно, что они сохранили по крайней мере минимальное сознание и способность слышать, но полностью отрезаны от мира в результате абсолютной неподвижности и отсутствия возможности даже моргать.

Как мозг видит

Исследования ясно показывают, что разные области мозга специализируются на разных функциях. Загадка заключается в том, как мозг кодирует и обрабатывает информацию и как разные части мозга взаимодействуют друг с другом. Хотя мы очень далеки от полного понимания этих процессов, в последние полвека достигнут значительный прогресс. Возьмем для примера зрение.

Зрение – это результат взаимодействия между глазами и мозгом, поскольку для чувственного восприятия одних органов чувств недостаточно. Откройте глаза, и вы увидите трехмерный цветной мир, однако на сетчатке реально формируется бесцветное, искаженное и перевернутое изображение, которое она преобразует в мириады электрических сигналов. Они в определенной мере обрабатываются в глазу, а затем передаются через зрительный нерв в мозг, различные области которого выполняют роль ретрансляционных и обрабатывающих станций. В конечном итоге информация в виде электрических импульсов поступает в зрительный центр коры головного мозга, находящийся в затылочной части.

Здесь электрические сигналы объединяются, формируются зрительные образы, здесь же происходит их осмысление. Нервные клетки, которые реагируют на один и тот же тип зрительных сигналов, сосредоточены в одной и той же части зрительного центра коры головного мозга. Разные нейроны выполняют разные задачи. Одни нервные клетки, по-видимому, специализируются на детектировании движения, другие активируются, только когда в поле зрения оказывается лицо человека, а третьи, называемые зеркальными нейронами, возбуждаются, когда выполняется определенное действие и при наблюдении, как это действие выполняется другими. После распознавания зрительного образа сигналы поступают в миндалевидное тело – эмоциональный центр мозга, где оценивается значимость этого образа. Кто к вам приближается – любимый человек или грабитель? Или это автобус, которого вы ждете? А может быть, вы просто любуетесь красивым пейзажем?

Вы должны затем решить, требует ли то, что вы видите, какого-либо действия. С этой целью сигналы посылаются в префронтальную кору, исполнительную область мозга, где принимается решение, например, помахать рукой, чтобы остановить автобус. В этом случае сигналы направляются в двигательную область коры, которая приводит в действие необходимые мышцы руки. Таким образом, сигналы, поступающие от глаз через зрительный нерв, приводят к генерированию шквала сложных сообщений, которые мгновенно передаются из одной части мозга в другую и обратно. Не забывайте, что мы еще не коснулись того, как зрительная информация интегрируется с информацией от других органов чувств и как складывается всеобъемлющая чувственная картина мира или как эта картина остается в памяти.

Глазам, конечно, нельзя полностью доверять. Мы не всегда видим именно то, что нам кажется, как показывает множество оптических иллюзий. Этот эффект используют многие художники. Зрительное восприятие ненадежно в силу того, как наш мозг обрабатывает информацию. Мы непрерывно предсказываем мир, предполагаем, например, куда отскочит мяч в игре, чтобы поймать его до того, как он коснется земли. Когда модели, которые мы конструируем в голове и по отношению к которым мы оцениваем чувственную информацию, не соответствуют реальности, возникают иллюзии. В левой части рисунка, приведенного далее, мы видим несуществующий треугольник, поскольку наш мозг подсознательно дорисовывает отсутствующие линии. В центре рисунка в соответствии с законами перспективы железнодорожное полотно сужается с удалением, и в результате нам кажется, что светлые полоски имеют разный размер, даже если кто-то говорит, что они одинаковы. На рисунке в правой части мы можем видеть либо два лица, либо подсвечник, но не то и другое одновременно. Понятно, что изображение не меняется, – это просто наш мозг так интерпретирует его. Как показывают такие иллюзии, наше восприятие реальности является результатом совместной деятельности мозга и органов чувств.

Это особенно легко продемонстрировать на примере цветного зрения. Белая бумага выглядит белой даже при желтом свете, поскольку мы привыкли к тому, что она белая. Удивительные картины Патрика Херона показывают, что мы судим о цветах в зависимости от окружения, в котором они находятся. Тот же желтый, например, выглядит иначе, когда находится рядом с другими цветами. Древние художники пользовались этим феноменом, чтобы создать иллюзию цвета, для которого не было подходящей краски (например, для розовато-лилового цвета). Мы можем даже видеть цвет, которого нет: черно-белое изображение кажется цветным, когда его быстро вращают. А если нарушается кровоснабжение зрительного центра коры головного мозга, то мир становится серым – такое иногда случается с боксерами после травм головы.

Слепота не всегда является результатом повреждения глаз. Она может наступить при повреждении областей мозга, отвечающих за обработку зрительной информации, например в результате инсульта. Любопытно, что некоторые люди, которые не могут ничего видеть и считают себя слепыми, способны правильно «угадывать», кто сидит за столом перед ними, или правильно выбирать предмет, когда их просят об этом. Такое «слепозрение» показывает, что мы можем видеть предметы, не осознавая этого. По всей видимости, существует как минимум два пути обработки зрительной информации в мозге, один из которых является осознанным, а другой нет.

На что мы обращаем внимание

Мозг непрерывно фильтрует поступающую в него информацию. Посмотрите. Фактически в фокусе находится только центр нашего поля зрения, однако мы видим все поле и очень резко. Это происходит потому, что наши глаза постоянно движутся, фокусируясь на разных частях поля зрения, а мозг складывает эти части в цельную картину. Мы даже не подозреваем о том, что это происходит, поскольку мозг отсекает все зрительные сигналы в то время, когда глаза движутся. Это объясняет, почему, когда мы смотримся в зеркало, сами не видим, как глаза непрерывно поворачиваются туда-сюда, но сторонний наблюдатель видит. Аналогичным образом вы не замечаете разговоров вокруг, а слышите только человека, с которым разговариваете, если, конечно, никто не произносит ваше имя, и тогда вы резко переключаете внимание. Наша способность воспринимать самую важную информацию и отбрасывать всю остальную очень ценна, но она может также вводить нас в заблуждение.

Я хорошо помню один вечер, когда мне и группе других ученых предложили посмотреть фильм о матче между командами, игроки одной из которых были одеты в синюю форму, а другой – в красную. Этот фильм сейчас очень хорошо знаком многим, но тогда он был новинкой. Нас попросили подсчитать, сколько раз каждая команда принимала мяч. Я прямо-таки обмерла от неожиданности, когда после просмотра лектор сказал, что числа его не интересуют, а он хочет знать, кто из нас видел гориллу. Гориллу?! Я лично ничего такого не видела, но, к моему удивлению, четыре человека заявили, что они видели. Во время повторного просмотра гориллу видели уже все – человек в костюме гориллы появлялся в центре экрана, бил себя руками в грудь и удалялся. Как же я могла не заметить его? Это была убедительная демонстрация того, как мозг, сконцентрированный на одном, отвергает информацию обо всем остальном.

Дар цветного слуха

Представьте себе возможность видеть звук и слышать цвета – обычное дело при приеме некоторых галлюциногенных веществ, однако некоторые люди могут делать это и без помощи фармакологических препаратов. Одним из самых известных людей с такими способностями был физик Ричард Фейнман, который написал: «Когда я смотрю на уравнения, то вижу буквы цветными, не знаю почему. Когда я разговариваю, то вижу смутные образы функций Бесселя из книги Янке и Эмде со светло-коричневыми символами j, слегка фиолетово-синими n и темно-коричневыми x, которые летают вокруг. Хотелось бы знать, как их видят студенты». Другим синестетиком, обладающим даром «слышать цвет», был Владимир Набоков, который ярко представил цветовую гамму алфавита, где были зеленые буквы, включая «f цвета ольхового листа, p цвета незрелого яблока и t фисташкового цвета, и синяя группа из «x сине-стального цвета, z цвета грозовой тучи и k черничного цвета». Как видно из этих описаний, синестезия индивидуальна и слова и буквы не всегда имеют один и тот же цвет: буква x, например, у Набокова была синей, а у Фейнмана – темно-коричневой.

Этот феномен не ограничивается буквами. Великий джазовый музыкант Дюк Эллингтон воспринимал в красках тембр звука. Он писал: «Я слышу ноту, взятую любым членом нашего оркестра, и она имеет цвет. Я слышу эту же ноту, взятую кем-то другим, и у нее другой цвет. Когда я слышу последовательность звуков, я вижу примерно те же цвета, что и вы, но мне они представляются в текстурах. Если играет Гарри Карни, то нота “ре” представляется темно-синим холстом. Если играет Джонни Ходжес, то нота “соль” становится светло-голубым атласом». А Лист поразил музыкантов Веймарского оркестра, когда сказал: «Пожалуйста, джентльмены, чуть больше синего, будьте добры! Здесь звук требует этого!» Существуют люди, которые могут чувствовать вкус слов или музыкальных тонов. У них есть дополнительное измерение жизни, которого лишено большинство из нас.

При синестезии палитра чувственных восприятий перемешивается. Смешение происходит не в органах чувств, а в мозгу, хотя, как и где именно, неясно. Томограммы мозга показывают, что область, отвечающая за обработку цветовой информации (веретенообразная извилина), находится в непосредственной близости к области, где происходит обработка чисел. Это позволяет предположить, что причиной, по которой Набоков, Фейнман и другие видели цветные цифры, могут быть перекрестные связи. Возможно, нечто подобное происходит и когда другие чувственные восприятия смешивают таким удивительным образом.

Синестетики могут не подозревать о своей необычности некоторое время, просто потому, что они не ожидают от других людей иного восприятия мира. Только обнаружив, что, например, друзья не запоминают телефонные номера по их цвету, они делают открытие. У Набокова это произошло в семилетнем возрасте, когда он строил пирамиду из кубиков с буквами и сказал своей матери, что буквы покрашены неправильно. Как оказалось, она тоже видит буквы цветными. Синестезия, похоже, передается по наследству.

Мигрень

Я, к сожалению, не синестетик, но иногда и у меня возникают необычные зрительные образы. В моем случае все, как правило, начинается с того, что мир начинает представляться мне в виде размытых пятен, будто я смотрю через стекло автомобиля во время сильного дождя, а стеклоочиститель не работает. Бывает также, что перед глазами появляются яркие разноцветные звездочки или переливающиеся змейки, сопровождающиеся звуками «Бах! Трах!», как в комиксах или на картинах Роя Лихтенштейна. Мне бы радоваться такому красочному зрелищу, если бы не его продолжение – приступ мигрени. Очень быстро подкатывает тошнота, обычно заканчивающая рвотой, я начинаю болезненно реагировать на свет, а голова моя просто раскалывается от боли с одной стороны. В общем, я чувствую себя совершенно разбитой. Единственное спасение – закрыться в темной комнате и ждать, пока приступ не кончится.

Я не одинока. Многие страдают от этой ужасной разновидности головной боли, хотя и не все испытывают такие же признаки ее приближения. Яркие цветовые образы и искажение зрительного восприятия отображаются, видимо, не случайно, многими писателями и художниками, включая Вирджинию Вулф и Льюиса Кэрролла. Вирджиния Вулф как-то заметила, что «у англичанина, который смог передать размышления Гамлета и трагедию короля Лира, не нашлось слов, чтобы описать ощущение озноба и головной боли». Это непередаваемо ужасная вещь. Рисунки Хильдегарды Бингенской[30] и описание ярких точек света, затмевающих звезды, свидетельствуют о том, что и у нее случались мигрени.

Одним из объяснений необычных зрительных образов, сопутствующих мигрени, является то, что во время приступов стимулируется электрическая активность зрительного центра коры головного мозга, и волна возбуждения, распространяясь по коре, вызывает цветовые и зрительные иллюзии. Однако эта гипотеза, как и гипотеза относительно происхождения самой головной боли, остается спорной. Ясно лишь то, что в некоторых семействах наблюдаются тяжелые формы мигрени, вызываемой мутацией в кальциевых и калиевых ионных каналах, которая приводит к повышенной электрической активности. У некоторых людей эта активность настолько сильна, что повреждает нервные клетки и в конечном итоге лишает способности ходить. Есть основание считать, что повышенная электрическая активность также лежит в основе более распространенных видов мигрени. Мало радости сознавать, что ужасная головная боль не только изводит вас, но и повреждает мозг.

Баланс сил

Современная наука, как мы видели, уже может составить примерную карту мозга. В целом мы знаем, какие области участвуют в обработке тех или иных видов информации. Мы можем заглядывать в живой мозг, когда он выполняет различные функции, и видеть, какие области активируются, а какие тормозятся. Но что происходит на уровне самих нервных клеток? Как они связаны друг с другом и как они общаются друг с другом? Критическим элементом этого гигантского механизма, нашего мозга, являются синапсы, где, как выразился Кахаль, нервные клетки обмениваются «протоплазменными поцелуями, межклеточными фразами, в которых, по всей видимости, и заключается финальный экстаз грандиозного любовного романа».

Дело в том, что синапсы бывают не только нервно-мышечными. Они имеются также в местах прилегания нервных и железистых клеток, а также, что важнее, между самими нервными клетками. В головном мозге несколько сотен триллионов синапсов, а в спинном мозге – еще многие миллионы. Типичный нейрон головного мозга контактирует с несколькими тысячами других клеток. Именно эта невероятная мозаика соединений лежит в основе сложного поведения высших животных, включая вас и меня.

Одни синапсы являются возбуждающими, в них нейромедиатор вызывает возбуждение следующей клетки, стимулирует передачу импульса, другие – тормозящими, в которых нейромедиатор выключает следующую клетку в цепочке, подавляет ее активность. Большинство нервных клеток получают одновременно множество возбуждающих и тормозящих сигналов, и их реакция определяется балансом сил противоположных сигналов. В таких системах распределение сигналов во времени имеет критическую важность. Тормозящий сигнал будет неэффективным, если он поступит после возбуждающего сигнала, а возбуждающий сигнал может оказаться блокированным при поступлении одновременно с тормозящим сигналом. Дело осложняется тем, что синапсы в пресинаптических нервных окончаниях могут предотвращать выброс нейромедиатора. Таким образом, предсказать реакцию даже одной клетки в электрической цепи крайне сложно.

Если в нервно-мышечных синапсах основным нейромедиатором является ацетилхолин, то в мозге масса других нейромедиаторов и их рецепторов. Основной возбуждающий нейромедиатор в мозге – глутамат натрия, который лучше известен как искусственный усилитель вкуса, добавляемый во многие блюда китайской кухни. Избыток глутамата вызывает чрезмерное возбуждение целевых клеток и может приводить к их гибели. Глутамат, таким образом, представляет собой двуликое вещество, которое принципиально важно для нормальной активности мозга, но способно полностью разрушать нервные клетки. Как следствие, в процессе эволюции клетки выработали способы быстрого уменьшения концентрации глутамата в мозге до низкого уровня, и во всех местах, где выделяется глутамат, присутствуют специальные вещества-транспортеры, которые захватывают внеклеточный глутамат и закачивают его обратно в клетки. Основным тормозящим нейромедиатором в головном мозге является гамма-аминомасляная кислота (ГАМК), а в спинном мозге – глицин. Нарушение естественного функционирования любого из нейромедиаторов этой троицы или его рецептора в результате приема лекарств или воздействия токсина приводит к возникновению множества проблем.

Какое из двух зол меньше

В 1974-м и в 1997 г. по Эфиопии прокатились волны голода. Западный мир с содроганием смотрел на происходившее там – прямые телетрансляции с истощенными детьми и взрослыми на первом плане были ужасными. Программы продовольственной помощи стали появляться как грибы после дождя.

На экранах телевизоров, однако, не было видно другой трагедии. Многие из голодающих не могли встать не от истощения, а в результате отравления ядом, содержавшемся в единственно доступной для них пище. Местный врач Хайлейсус Гетахун, побывавший в отдаленных высокогорных районах на севере Эфиопии, рассказывал, как в одной семье из шести человек «его попытались приветствовать традиционным поклоном, но никто так и не смог встать. На ногах держалась лишь одна девочка». Ее мать обвязывала себя веревкой, свисающей со стены хижины, чтобы не упасть, когда она дробила зерно, а семья полностью зависела от помощи родственников и соседей. Это были жертвы эпидемии латиризма – постепенного паралича мышц, вызванного употреблением в пищу горошка, чины посевной, Lathyrus sativus.

Чину выращивают в Южной Азии и в Эфиопии уже более 2500 лет. Эта культура очень распространена по той простой причине, что ее дешево и легко выращивать, она устойчива к засухам, наводнениям, нашествиям насекомых и дает хорошие урожаи высокопитательного зерна. Зачастую только она переживает сильную засуху. Ну чем не идеальная культура для районов, где нередок голод, если бы не одно но. В этом растении высокий уровень сильнодействующего нейротоксина с труднопроизносимым названием бета-N-оксалиламино-L-аланин (обычно его обозначают аббревиатурой BOAA). BOAA специфически поражает двигательные нервы, которые управляют движением мышц. Его действие аналогично действию глутамата, т. е. он является «возбуждающим» – ядом, который возбуждает нервные клетки настолько, что они погибают.

BOAA присоединяется к глутаматным рецепторам на клетках двигательных нервов мозга. Эти рецепторы представляют собой ионные каналы, и присоединение к ним глутамата открывает пору, позволяя ионам кальция поступать в клетку. Поскольку избыток кальция губителен для нервных клеток, постоянное возбуждающее действие BOAA на глутаматные рецепторы приводит в конечном итоге к гибели клеток. Как следствие, у тех, кто ест чину в течение длительного времени, развивается периферический паралич ног. Больные могут лишь ползать, и улучшения практически не происходит даже после прекращения употребления чины в пищу.

Латиризм – старейшее неврологическое заболевание, известное людям. Еще в 400 г. до н. э. прославленный индийский врачеватель Чарак признавал, что оно связано с чрезмерным употреблением в пищу чины, а примерно столетием позже Гиппократ писал, что в Эносе «все мужчины и женщины, которые постоянно едят горошек, теряют силу ног». Первый отчет, прямо указывавший на связь между латиризмом и употреблением чины в пищу, был опубликован в 1844 г. генерал-майором Уильямом Слиманом в его книге «Мысли и воспоминания служаки из Индии» (Rambles and Recollections of an Indian Official). Там он описывал вспышку латиризма, поражавшего и скот, и людей, в районе Саугор в центральной части Индии.

Несмотря на все наши знания, трагедии не прекращаются. Во время Второй мировой войны ежедневный рацион заключенных немецкого концентрационного лагеря в Вапнярке[31] недалеко от границы Украины состоял из чины и хлеба. За три месяца у 60 % заключенных развился латиризм. Причину заболевания в конечном итоге установил один из них, который сам стал жертвой этой болезни, и проблему решили, удалив чину из рациона. Этот случай заставил признать, что чина, если она составляет основную часть диеты более трех-четырех месяцев, неизбежно приводит к параличу.

К сожалению, в определенных обстоятельствах людям приходится выбирать между голодом и латиризмом. В 1997 г. чина была единственной культурой, которая выжила после сильнейшей засухи в Эфиопии, и по этой причине употреблялась в пищу в самых разных формах. Хотя это растение признано опасным, точная природа проблемы и подходы к предотвращению ее проявления изучены очень плохо. Медицинские работники находятся в растерянности и советуют избегать контакта с паром и сливаемой водой при приготовлении блюд из чины – это очень распространенное заблуждение, от которого мало толку. Информационные листовки отсутствуют, а многие поселения находятся в таких отдаленных местах, что добраться до них можно только на мулах или пешком. Эпидемия продолжалась два года до тех пор, пока потребление чины не сократилось.

Хорошенького понемногу

Латиризм – не единственное заболевание, вызываемое гиперстимулированием глутаматных рецепторов. Ранним летним утром в 1961 г. прибрежный городок Капитола в Калифорнии накрыла огромная стая серых буревестников. Сотни птиц осаждали город, врезались в дома, пикировали на людей, падали замертво с небес и бродили пошатываясь, отрыгивая рыбу. Проснувшись в тот день, люди обнаружили, что улицы усыпаны мертвыми морскими птицами. Это событие настолько заинтриговало Альфреда Хичкока, что он внес изменение в сценарий экранизации небольшого рассказа Дафны дю Морье «Птицы» и даже упомянул в фильме нашествие на Капитолу. Изучение похожих случаев, которые произошли впоследствии, показало, что они были результатом действия домоевой кислоты – яда, вырабатываемого фитопланктоном и накапливающегося в высоких концентрациях существами в последующих звеньях пищевой цепочки. В организм буревестников яд попал из кильки, которой они питались.

Моллюски и ракообразные тоже накапливают домоевую кислоту. Это привело, в частности, к массовому отравлению людей в Канаде в 1987 г. Пострадали более 200 человек, которые ели голубых мидий. Помимо рвоты и диареи у многих пострадавших наблюдались нарушение ориентации в пространстве, потеря памяти, конвульсии и потеря сознания, примерно четверть из них потеряли кратковременную память, причем некоторые необратимо. Вскрытие и исследование мозга четырех скончавшихся показали, что у них были разрушены гиппокампальные нейроны (которые играют важную роль при запоминании). Домоевая кислота убивает нейроны, очень прочно присоединяясь к глутаматным рецепторам каинатного типа и открывая их. В результате приток ионов кальция убивает нервные клетки.

Сложные соединения, активирующие глутаматные рецепторы, вырабатывает и целый ряд грибов. Именно по этой причине их употребление в пищу вызывает головокружение, бред, галлюцинации и эйфорию. Натриевая соль глутаминовой кислоты (глутамат натрия) является усилителем вкуса, который добавляют во многие блюда, нередко под таким названием, как «гидролизованный растительный белок». Глутамат натрия получил дурную славу в средствах массовой информации, поскольку он якобы вызывает тошноту, головокружение и сильную головную боль, т. е. так называемый «синдром китайского ресторана». Наш мозг защищен от воздействия глутамата натрия гематоэнцефалическим барьером, однако некоторые нервные клетки находятся за его пределами. У молодых мышей эти клетки не имеют защиты от токсического действия высокой концентрации глутамата натрия, и если мыши едят его слишком много, то у них развивается ожирение, поскольку нейроны, регулирующие вес, разрушаются. Многочисленные исследования безопасности, однако, показывают, что глутамат натрия не оказывает вредного воздействия на организм человека даже при концентрациях значительно более высоких, чем в пищевых добавках. А испытание методом «двойного слепого исследования»[32] не позволило надежно продемонстрировать, что глутамат натрия вызывает синдром китайского ресторана. Так или иначе, от этого глутамат натрия не потерял центральную роль в «суповых войнах»[33]. Битва развернулась, когда Campbell Soup Company запустила рекламу, в которой утверждалось, что ее супы приготовлены исключительно из натуральных продуктов, а вкус конкурирующих супов Progresso усиливается с помощью глутамата натрия. Компания General Mills Company, выпускавшая супы Progresso, в ответ заявила, что это супы Campbell содержат глутамат натрия, а во многих ее супах глутамата натрия как раз нет. А еще она заявила, что прекращает добавлять глутамат натрия во всю свою продукцию, и предложила Campbell последовать ее примеру. Ну и так далее.

Столбенеющие от испуга

Всем известно, что от неожиданного звука человек может буквально подскочить на месте. Однако представьте, что его мышцы при испуге деревенеют и он сваливается со стула или падает плашмя, как клоун в цирке. Такое может случаться с людьми, страдающими болезнью испуга или стартл-болезнью. Поскольку их руки сильно прижимаются к бокам, они не могут ухватиться за что-нибудь, когда падают, и могут получить многочисленные травмы. У грудных детей с таким заболеванием реакция бывает настолько сильной, что их позвоночник выгибается назад, а дыхательные мышцы деревенеют, и они задыхаются и умирают. Такую патологию называют синдромом мышечной скованности младенцев.

Симптомы этой странной болезни сходны с симптомами отравления стрихнином, что дает ключ к разгадке ее причины. Обычно это нарушение функционирования глициновых рецепторов либо в результате мутации, как при стартл-болезни, либо в результате ингибирования стрихнином. Глицин – один из основных нейромедиаторов в тормозящих синапсах спинного мозга и ствола головного мозга. Он выделяется тормозящими нервными клетками и взаимодействует с глициновыми рецепторами в мембране постсинаптических нервных клеток, открывая их проницаемый для хлорид-ионов канал. Это приводит к подавлению электрической активности целевой клетки и делает ее невосприимчивой к возбуждающим сигналам. Такое ингибирование принципиально необходимо для нормального функционирования организма. Мышцы, приводящие в движение наши конечности, являются парными – одна сгибает конечность, а другая разгибает ее. Крайне важно, чтобы одна мышца расслаблялась, когда другая стимулируется, иначе конечность не сможет двигаться. У людей, страдающих стартл-болезнью, отсутствует реакция на выброс глицина из тормозящих нервов, поэтому их парные мышцы не расслабляются. Поскольку обе мышцы сокращаются одновременно, они деревенеют при испуге.

Хотя эта болезнь и похожа на патологию миотонических коз из штата Теннесси, о которой мы говорили раньше (в обоих случаях наблюдается одеревенение мышц), причины недуга совершенно разные. Стартл-болезнь – это проблема центральной нервной системы, которая перестает передавать мышцам необходимые сигналы. Сами мышцы функционируют нормально. В отличие от этого у миотонических коз с нервной системой все в порядке, а источник проблемы кроется в мышцах.

«Загадочное происшествие в Стайлзе»

Однажды ночью миссис Эмили Кавендиш, богатая вдова, была обнаружена умирающей в своем имении Стайлз-Корт в Эссексе. Как выяснилось позднее, ее отравили стрихнином. В повести Агаты Кристи знаменитый детектив Эркюль Пуаро распутывает сложнейшее переплетение событий и доказывает, что в преступлении виноваты новый муж Эмили и его любовница. Стрихнин фигурирует во многих известных случаях отравления, как реальных, так и литературных. «Отравитель из Ламбета», серийный убийца д-р Томас Нил Крим, приглашал проституток выпить с ним, добавлял в их порцию спиртного стрихнин и оставлял умирать в муках. Поскольку стрихнин – одно из самых горьких веществ на свете, выпивку нужно было подсластить, чтобы замаскировать его вкус, или девушки должны были находиться в сильном подпитии, чтобы не заметить горечь. Стрихнин раньше использовали как крысиный яд.

Отравление стрихнином напоминает стартл-болезнь потому, что это вещество блокирует глициновые рецепторы и полностью прекращает их работу. Этот токсин впервые выделили из бобов игнации горькой, Strychnos ignatia, названной так в честь Игнатия Лойолы, основателя ордена иезуитов. Он также содержится в семенах дерева, известного как рвотный орех (Strychnos nux-vomica). Любопытно, что стрихнин одно время применяли в качестве возбуждающего средства, естественно, в значительно меньших дозах, чем те, что вызывают острое отравление. Понятно, что иногда случались передозировки. Один студент-медик описал в 1896 г., как он взбадривал себя стрихнином во время подготовки к экзамену. В один прекрасный момент его икроножные мышцы начали деревенеть и судорожно сокращаться, пальцы ног выгнулись вверх, в глазах начали мелькать яркие точки, он упал и покрылся холодным потом. По его словам, «он понимал, что с ним происходит что-то серьезное», и поэтому кое-как добрался до своего медицинского саквояжа и принял хлорат калия (обезболивающее средство). После этого он потерял сознание и погрузился в глубокий сон. Проснулся он «на следующее утро без каких-либо неприятных симптомов», но с огромным желанием двигаться. Надо думать, что желания повторить эксперимент у него больше не было.

Мозговой шторм

Прекращение торможения в определенных мозговых структурах может провоцировать приступы эпилепсии, неожиданные нескоординированные всплески электрической активности, напоминающие электрический шторм в мозге. Федор Достоевский был, пожалуй, самым известным эпилептиком в истории[34]. В его записной книжке имеются записи о 102 приступах, а пережитое во время обострений нашло отражение в романах. Припадки, или приступы, индивидуальны у каждого человека, поскольку у эпилепсии множество разновидностей и масса причин, однако в целом их можно разделить на две большие группы. При малых эпилептических припадках больной теряет сознание на несколько секунд, смотрит в пространство с отсутствующим видом и, по всей видимости, отключается от окружающего мира. Более серьезны судорожные припадки, во время которых конечности больного конвульсивно дергаются и совершают неконтролируемые движения из-за того, что электрический шторм затрагивает нервные клетки, управляющие их мышцами. У одних людей конвульсии имеют выраженную локализацию и затрагивают только небольшую группу мышц, а у других могут наблюдаться большие эпилептические припадки с судорогами всего тела и нередко с потерей сознания.

Эпилепсия известна людям с древних времен. Гиппократ называл ее «священной болезнью» и совершенно правильно утверждал, что ее причиной является нарушение работы мозга. Тем не менее на протяжении многих веков представление об эпилепсии как о болезни соседствовало с идеей о том, что эпилептики – это проклятые богами или одержимые нечистой силой. Эпилептиков изгоняли из общества, а в XVI в. стали обвинять еще и в колдовстве. Постепенно было признано, что эпилепсия – это болезнь, однако негативная аура вокруг нее все же осталась. Когда у принца Джона, младшего сына короля Георга V, обнаружилась эпилепсия, его спрятали подальше от глаз в одном из коттеджей сандрихемской резиденции. К счастью, в наши дни эта болезнь уже не ассоциируется с клеймом позора.

Происхождение эпилепсии до сих пор не совсем понятно. В одних случаях это следствие черепно-мозговой травмы, давления опухоли на мозг или родовой травмы мозга. В других она наследуется и возникает в результате мутации определенных генов, многие из которых представляют собой ионные каналы. Чаще всего такие мутации подавляют электрическую активность тормозящих нервных клеток, которые в нормальном состоянии сдерживают активность мозга. Отпустите тормоз, и мозг пойдет вразнос из-за чрезмерного стимулирования возбуждающих цепей.

Поначалу средства против эпилепсии были, мягко говоря, экстравагантными – от совета Плиния пить кровь гладиаторов до рекомендации Роберта Бойля принимать внутрь толченые ягоды омелы «в количестве, умещающемся на шестипенсовой монете» во время полнолуния. Прорыв произошел, когда в конце XIX в. обнаружилось, что удаление триггерной области мозга может давать положительный эффект. Однако хирургическое вмешательство не всегда возможно, да к тому же при удалении эпилептического очага очень легко повредить другие части мозга. Современные методы лечения нередко заключаются в приеме лекарств, уменьшающих частоту и интенсивность припадков. По большей части такие лекарства усиливают выделение или действие тормозящего нейромедиатора ГАМК, который снимает избыточную электрическую активность, удерживая мембранный потенциал нервных клеток на более отрицательном уровне. Существуют и средства, которые непосредственно подавляют активность возбуждающих нейронов, воздействуя на их натриевые и калиевые каналы. Вместе с тем, поскольку эпилептические припадки могут повреждать мозг, такое лечение не очень эффективно, если его не начать на ранней стадии развития заболевания.

У некоторых детей встречается неустранимая эпилепсия, которая не поддается медикаментозному лечению и затрагивает части мозга, недоступные для хирургического вмешательства. Одним из старых средств, которое оказывается удивительно эффективным в этих случаях, является строгое ограничение потребления углеводов. Его называют кетогенной диетой, поскольку она приводит к повышению концентрации таких промежуточных продуктов метаболизма в крови, как кетоновые тела. Это почти устраняет припадки примерно у трети больных и еще у одной трети уменьшает их частоту. Почему этот метод работает, так и остается неясным, но это мало волнует больных детей и их родителей. Вместе с тем выдержать такую диету непросто, ведь даже одна шоколадка или другое сладкое лакомство способно спровоцировать припадок.

Наш мозг

В этой главе мы разобрали, как устроен головной мозг, как через его сложнейшую структуру проходят каскады электрических импульсов и «химических поцелуев», позволяющие нам двигаться и воспринимать происходящее вокруг. Однако у мозга есть еще более важная и удивительная функция. Он определяет наши эмоции, мысли, личность, самосознание – в общем, чувство собственного «Я».

Глава 11

Что есть разум

О музыки качанье и безумье –

Как различить, где танец, где плясунья?[35]

Уильям Батлер Йейтс. Среди школьников

Радость, печаль, страх, гнев, волнение, отчаяние – наши эмоции меняются как погода летом в Англии. Они влияют на наши думы, определяют наши действия и характер. Однако мы не марионетки, которыми управляют эмоции. Мы способны аргументировать, рационально мыслить и действовать, высказывать идеи, которые появляются будто бы ниоткуда. В отличие от средневековых представлений мы не считаем, что в нашем мозге сидит некий фантом, который дергает в нужный момент за ниточки. Это в процессе эволюции наш мозг стал таким, какой он есть, и все, что мы думаем, чувствуем и делаем, является результатом электрических и химических событий, происходящих в нервных клетках. Возможно, не слишком приятно думать, что ваши мысли и чувства определяются потоками химических веществ в головном мозге и вызываемыми ими изменениями характера электрической активности. Но с этим все же придется согласиться, учитывая, что наркотики, гормоны и заболевания, которые влияют на концентрацию нейромедиаторов в головном мозге, оказывают на нас очень сильное действие, изменяя эмоции и поведение.

Небольшое количество алкоголя, например, может сделать нас более общительными, стать причиной иррационального поведения или ввергнуть в меланхолию. Настроение женщин зависит от менструального цикла. Регулярные пробежки могут поднимать тонус настолько, что любители бега начинают нервничать и раздражаться, если им мешают. Аденозин, вводимый в организм для регулирования сердечного ритма, дает своеобразный побочный эффект – кратковременное чувство обреченности, которое настолько сильно, что некоторые воспринимают его как приближение смерти. Болезнь Паркинсона часто сопровождается депрессией. Сифилис сильно меняет характер, это ярко показал пример короля Генриха VIII. Простое стимулирование определенных областей головного мозга может вызвать эйфорию, гнев и даже, как утверждают, душевные переживания. Все человеческие эмоции уходят корнями в электрохимию мозга, и сложнейшие переплетения химических и электрических сигналов управляют каждой нашей мыслью и действием.

В этой, предпоследней главе мы поговорим о том, как нейромедиаторы влияют на наше настроение, память и мысли и как наркотические препараты усиливают или имитируют их действие. Здесь речь пойдет о том, как наш характер зависит от электрической активности мозга, и о том, что происходит во время сна и при наркозе. А еще мы попробуем ответить на вопрос, который веками мучил людей, – что такое сознание и кто я есть?

Какое наслаждение

Стремление к наслаждению заложено в нас природой. Еда, секс, выпивка, физические упражнения – все это рождает чувство наслаждения и заставляет нас искать продолжения. Однако мы стремимся к этому не просто из склонности к гедонизму или примитивному сладострастию – это способ обеспечения условий для выживания нашего биологического вида. Все, что приносит наслаждение, стимулирует «центр удовольствия» головного мозга. Он состоит из нескольких четко локализованных областей мозга, включая прилежащее ядро, миндалевидное тело и вентральную область покрышки, которые связаны вместе группой нервных клеток, известных как медиальный переднемозговой пучок. Дофамин, один из самых важных нейромедиаторов в головном мозге, принимает непосредственное участие в формировании чувства желания и пристрастия. Чувственные наслаждения, такие как секс, любовь и еда, инициируют выброс дофамина в центре удовольствия мозга, который повышает электрическую активность нервных клеток, усиливает чувство наслаждения и заставляет нас съесть еще кусочек шоколада или выпить еще бокал вина, который иногда бывает лишним. Многие фармакологические средства, вызывающие зависимость, повышают концентрацию дофамина в центре удовольствия и, таким образом, приводят к появлению чувства эйфории.

Когда я была еще подростком, мы как-то пошли в кино со школьной подругой и ее родителями. Очередь была огромной, и скоро стало ясно, что мы вряд ли попадем на фильм. «Не расстраивайтесь, – сказала мать моей подруги, – пошли домой и примем кокаинчику». Это было самое невероятное предложение, которое только можно было представить. Ее сын только что приехал из Южной Америки и привез мешочек листьев коки. Перуанские индейцы жевали их на протяжении 8000 лет по той причине, что алкалоиды коки подавляли аппетит и отгоняли сон. На меня, однако, листья коки совершенно не оказали возбуждающего действия – я почувствовали лишь легкое онемение губ и языка, как после визита к зубному врачу. И всё. Дело, возможно, было в том, что я побоялась пробовать больше, чем один листочек, – уже тогда кокаин, который получали из листьев коки, был известен как опасный наркотик, вызывающий зависимость.

Первоначально, однако, кокаин был популярен и даже получал широкое одобрение. Зигмунд Фрейд регулярно принимал кокаин, когда работал над «Толкованием сновидений», поскольку находил, что он вызывает «приятное возбуждение и продолжительную эйфорию» и дает «удивительный стимулирующий эффект», который «позволяет долго и интенсивно работать, умственно и физически, не чувствуя усталости». В XIX в. содержащий кокаин напиток «вино Мариани», предлагавшийся как тонизирующее средство для тела и ума, настолько понравился папе Льву XIII, что он присудил ему специальную золотую медаль и превозносил его достоинства. Листья коки в небольшом количестве входили первоначальный рецепт «Кока-колы» наряду с экстрактом ореха колы (отсюда и название напитка). Способность кокаина снимать усталость использовали даже путешественники. Эрнест Шеклтон и капитан Роберт Скотт брали в Антарктику средство под названием Forced March, представлявшее собой таблетки с кокаином. А во время Первой мировой войны такие таблетки выдавали в некоторых подразделениях британской армии.

Кокаин препятствует удалению из синаптической щели нейромедиатора дофамина, выделяемого в ответ на нервные импульсы. В результате дофамин дольше стимулирует целевые клетки. Амфетамин («спид») действует аналогичным образом. Способность вызывать зависимость у обоих наркотиков связана с тем, что дофамин стимулирует центр удовольствия мозга. Именно поэтому чистый кокаин и вызывает возбуждение и эйфорию, как отмечал Фрейд. Если организм продолжает получать кокаин, то уровень дофамина в мозге остается повышенным, и приятное ощущение не проходит. Когда же действие наркотика прекращается, концентрация дофамина падает ниже нормального уровня, вызывая депрессию, мучительное беспокойство и непреодолимое желание получить новую дозу. Пристрастие, таким образом, это влечение мозга, и все, что чрезмерно стимулирует центр удовольствия, способно вызывать зависимость.

На крючке

Никотин известен как один из наркотиков, вызывающих самую сильную зависимость. Он содержится в листьях табака Nicotiana tabaccum и берет свое название от фамилии жившего в XVI в. искателя приключений Жана Нико, который привез это растение во Францию и, как говорили, рекламировал его в качестве средства от головной боли. В Англию табак был привезен сэром Джоном Хокинсом в 1565 г. и поначалу был встречен с удивлением и неприятием. По одной из историй, возможно, выдуманной, слуга сэра Уолтера Рэли окатил его водой, решив по ошибке, что хозяин горит. Курение табака запрещалось королевскими и папскими буллами. Король Англии Иаков I написал в 1604 г. свое знаменитое «Решительное возражение против табака» (Counterblaste to Tobacco), где он называет курение «привычкой, отвратительной для глаз, омерзительной для носа, губительной для мозга, опасной для легких», а табачный дым сравнивает с «ужасным дымом, выходящим из бездонных глубин ада». Постепенно, однако, курение табака распространилось и стало повсеместным к середине прошлого столетия.

Курение – дорогое удовольствие во всех смыслах. Ежечасно 12 человек в Великобритании умирают от болезней, связанных с курением, а в Соединенных Штатах от этого умирает еще больше людей. На лечение заболеваний, связанных с курением, тратятся миллиарды долларов – более $190 млрд в год только в одних США. Считается, что в конечном итоге половина курильщиков становится жертвами своей привычки, поскольку курение резко повышает риск рака легких (85 % всех случаев заболевания раком легких являются результатом курения), а также сердечных заболеваний, инсульта, эмфиземы и множества других видов рака. Связь между курением и раком легких была установлена сэром Ричардом Доллом в начале 1950-х гг., однако его выводы поначалу встретили значительное сопротивление[36]. Широкие программы по охране здоровья, проводимые в последние 50 лет, сократили употребление табака и привели к снижению уровня заболеваемости раком легких, однако 20 % взрослых продолжают курить. Все знают, что причиной рака является не никотин, содержащийся в сигаретах, а целый букет канцерогенных веществ в составе табачного дыма. Никотин, однако, опасен потому, что он вызывает сильную зависимость и стойкая привычка превращает отказ от курения в непростое дело.

Никотин воздействует на ацетилхолиновые рецепторы в местах сопряжения нервов и скелетных мышц, а также в определенных нервно-нервных синапсах в головном мозге. Присоединение никотина к ацетилхолиновым рецепторам, как и присоединение самого ацетилхолина, открывает ионный канал, который пропускает ионы натрия в нервную клетку и, таким образом, вызывает генерирование электрического импульса. Именно способность активировать определенные нейроны мозга позволяет наркотику действовать как стимулятор и, подобно кофеину, помогать человеку сконцентрироваться, несмотря на усталость. А зависимость он вызывает потому, что стимулирует также нервные клетки в центре удовольствия головного мозга. Заядлые курильщики устраивают перекуры с такой частотой, которая обеспечивает поддержание постоянной концентрации никотина в крови и мозге и, таким образом, постоянного уровня возбуждения нейронов. Тем людям, у которых в силу генетических особенностей понижен уровень фермента печени, разрушающего никотин, и наркотик медленнее выводится из крови, требуется меньше сигарет для получения такого эффекта.

Люби, люби меня[37]

«Скажи мне, где любви начало? Ум, сердце ль жизнь ей даровало?»[38] – спрашивает Шекспир в «Венецианском купце». Романтическая любовь давно притягивает внимание писателей, художников и драматургов, однако что заставляет нас влюбляться? Желание найти идеальную пару и не оставлять ее до конца жизни или прелесть свежего лица, пленяющая нас на время, пока не встретится другое? Снедаемые любовью нередко хотят просто-напросто, чтобы предмет обожания ответил взаимностью. Именно на это нацелены заклинания и приворотные зелья, а возможно, даже наши предпочтения в косметике, духах и одежде. В шекспировском «Сне в летнюю ночь» любовное зелье, приготовленное из сока фиалки трехцветной (анютиных глазок), как известно, вызывает неразбериху. Его капают на веки спящей Титании и заставляют ее влюбиться в первое существо, которое она видит, когда просыпается. Предметом любви оказывается ткач Основа, самое непривлекательное создание на свете – человек с ослиной головой. Идея волшебного любовного зелья может, конечно, вызвать улыбку, но последние исследования показывают, что любовь и в самом деле не более чем химический феномен.

Наше понимание химии привлекательности началось довольно неожиданно – с ничем не примечательного мелкого грызуна, степной полевки. Степные полевки моногамны и привязываются друг к другу на всю жизнь. В отличие от них, их сородичи, горные полевки, очень неразборчивы в связях и предпочитают не обременять себя длительными отношениями. Разница в их поведении, похоже, связана с двумя специфическими химическими веществами, окситоцином и вазопрессином, которые выделяются в мозге во время спаривания. Окситоцин принципиально важен для создания прочной пары, и его впрыскивание в прилежащее ядро обеспечивает пожизненную привязанность, даже если у пары нет секса. Когда действие окситоцина блокируется, степные полевки ограничиваются лишь мимолетными связями. Впрыскивание окситоцина горным полевкам, однако, не изменяет их поведения из-за того, что у них отсутствуют рецепторы окситоцина в центре удовольствия головного мозга. Окситоцин вызывает выделение дофамина, и партнеры, как предполагается, живут в согласии, получая взаимное удовольствие. Вазопрессин не менее важен для формирования пары, особенно в случае самцов. Он, помимо этого, провоцирует агрессивное поведение у самцов полевок в отношении соперников во время ухаживания и при защите гнезда. С вазопрессином связано и агрессивное поведение у людей.

Конечно, вряд ли можно напрямую переносить принципы поведения полевок на людей, у которых и мозг, и социальные взаимоотношения несравненно сложнее. Тем не менее окситоцин также очень важен для формирования устойчивых связей у людей. Он выделяется во время секса и кормления грудью и может способствовать укреплению привязанности влюбленных, а также матери и ребенка. Он, помимо прочего, углубляет доверие между людьми – очень важный компонент любовных отношений. Дофамин, этот властитель наслаждений и пристрастий, тоже занимает важное место в романтической любви. При исследовании активности мозга студентов, утверждавших, что они безумно влюблены, у них обнаруживались области с высоким содержанием дофамина, когда им демонстрировали фотографии возлюбленных. Это и есть ответ на вопрос Шекспира о том, где начинается любовь, и у нас, в самом прямом смысле, может развиваться наркотическая зависимость от предмета обожания.

Гормон (не)счастья

Итак, наслаждение – это результат деятельности мозга, но то же самое можно сказать и о страдании. Печаль – очень распространенное явление, как выразился Уильям Блейк, «и каждое чело, что я встречаю, несет печать беды, печать печали». Нередко встречается и ее более суровая сестра – клиническая депрессия. По оценкам, на том или ином этапе жизни почти 10 % людей страдают, по словам Уинстона Черчилля, от «тоски зеленой». У некоторых людей она бывает настолько сильной, что полностью выбивает их из седла.

Счастье и отчаяние – это два лица нейромедиатора серотонина. Серотонин вырабатывается нейронами ядер шва головного мозга, отростки которых разветвляются по всему мозгу. В число их мишеней входят прилежащее ядро и вентральная область покрышки, т. е. части центра удовольствия мозга. Поскольку серотонин выделяется во многих областях мозга и взаимодействует как минимум с 14 видами рецепторов, он оказывает влияние на многие типы поведения, однако его самая важная роль – это управление настроением. При повышенном уровне серотонина наблюдается чувство оптимизма, удовлетворенности и душевного равновесия. Когда его слишком мало, мы впадаем в отчаяние, депрессию, тоску, апатию и ощущаем собственную неполноценность. Один из способов повышения уровня серотонина – энергичные физические упражнения. Именно поэтому быстрая ходьба или игра в сквош (если, конечно, вы способны оторвать зад от дивана) помогают развеяться. Современные антидепрессанты, такие как прозак (флуоксетин), тоже повышают концентрацию серотонина. Они препятствуют удалению серотонина из синаптических щелей и таким образом продлевают стимулирование соответствующих рецепторов.

Самым печально известным наркотиком, взаимодействующим с серотониновыми рецепторами, является, пожалуй, ЛСД. Его необычайно сильный эффект на восприятие окружающего поэтически описывается в песне «Lucy in the Sky with Diamonds» группы The Beatles. Однако далеко не все наркотические «путешествия» являются приятными. В научно-фантастическом телевизионном сериале «Доктор Кто» (Dr Who) Повелитель Времени «перерождается» каждые несколько лет, что позволяет исполнять эту роль разным актерам. В сценарии, хранящемся в архиве компании BBC, есть разъяснение для продюсеров, где указывается, что процесс перерождения – это нечто страшное, «словно он принял дозу ЛСД, но вместо кайфа попал в преисподнюю и испытал запредельный ужас».

ЛСД – галлюциногенное вещество, производное природного соединения, эрготамина, которое встречается в темно-пурпурных плодовых телах паразитического гриба спорыньи, Claviceps purpurea. В Средние века спорынья часто поражала рожь, и хлеб из зараженного зерна приводил к вспышкам эрготизма, отравления эрготамином. Бывали случаи, когда эпидемия отравлений охватывала целые города. В 1930 г. было выделено действующее вещество спорыньи, а впоследствии швейцарский химик Альберт Хофманн синтезировал его производное – диэтиламид лизергиновой кислоты (lysergic acid diethylamide – LSD), или ЛСД-25 для краткости. Хотя Хофманн забросил исследования этого вещества на целых пять лет, он хорошо помнил, что подопытные животные очень возбуждались после его введения. В 1943 г., решив более тщательно изучить препарат, Хофманн вновь синтезировал его. Несмотря на все предосторожности (Хофманн знал, что спорынья очень токсична), на последнем этапе получения вещества он испытал череду необычных ощущений, включая «бесконечный поток фантастических картин, необычайных форм с интенсивной, быстро меняющейся игрой красок».

Полагая, что такой эффект дало синтезированное вещество, Хофманн по освященной временем традиции ученых-фармакологов попробовал три дня спустя действие крошечного количества препарата на себе. Эффект оказался сногсшибательным. В записной книжке ученого осталась запись: «Все вокруг изменилось самым невероятным образом. Комната стала вращаться, а знакомые вещи и мебель приняли гротескные, чудовищные формы. Они непрерывно двигались, видоизменялись, словно под влиянием какой-то внутренней неугомонности. Моя соседка, которую трудно было узнать, принесла мне молока – за вечер я выпил его более двух литров. Это была уже не г-жа Р., а злобная, коварная ведьма с разноцветной маской на лице». Состояние Хофманна явно было не из приятных, он отметил: «В меня вселились демоны, они завладели моим телом, моим разумом и душой». Хофманна охватил страх, ему стало казаться, что он вот-вот умрет, его жена и трое детей останутся без средств к существованию, а перспективное исследование не будет завершено. Постепенно, однако, ужасы отступили, а на смену им пришли фантасмагорические картины «из кругов и спиралей, взрывающихся цветными фонтанами, перестраивающихся и преобразующихся непрерывным потоком», звуки, которые превращались в зрительные образы, и ощущение новой жизни.

ЛСД – один из самых известных галлюциногенов. Он оказывает необычайно сильное воздействие на слуховое и зрительное восприятие, рождает сверкающий мир, в котором цвета, яркость образов и звуки усиливаются, предметы приобретают необычные формы, а стены начинают «дышать». Однако его эффекты изменением восприятия и галлюцинациями не заканчиваются. Он трансформирует чувство времени, эмоции и самосознание. Некоторые из тех, кто попробовал его, утверждают даже, что он расширяет сознание (хотя и трудно сказать, что они имеют в виду), приносит одухотворенность и озарение. Но если спуститься с этих высот на землю, то все сводится к изменению электрической активности мозга. «Волшебные» эффекты ЛСД и других галлюциногенов связаны с тем, что они очень прочно присоединяются к определенной подгруппе серотониновых рецепторов в синапсах мозга, к так называемым 5HT-2A-рецепторам. Почему ЛСД вызывает сильные галлюцинации, а серотонин нет, хотя они присоединяются к одним и тем же рецепторам, в точности не знает никто, однако одной из причин может быть то, что они, похоже, активируют разные сигнальные пути в клетках-мишенях.

Искусство запоминания

Наше понимание физиологической основы эмоций, за исключением наслаждения и отчаяния, в числе которых гнев, смущение, зависть, печаль, отвращение, чувство вины и удивление, далеко от полной ясности. Общепризнанно, однако, что наша эмоциональная реакция на ту или иную ситуацию сильно зависит от прошлого опыта. Память играет ключевую роль в определении того, что мы чувствуем, а сохранение воспоминаний, связанных с эмоциями, происходит в миндалевидном теле, двух миндалевидных областях мозга, которые расположены в задней части головы. В миндалевидном теле также сохраняется память о вознаграждении и страхе.

Память и все, что с нею связано, – развитие памяти, процесс запоминания, накопление воспоминаний и процесс обращения к ним – озадачивали и интриговали людей на протяжении столетий. До появления дешевой бумаги и компьютеров память имела особое значение. Искусство запоминания было развито у древних греков и римлян, учитывая, что адвокатам и политикам приходилось говорить часами без каких-либо записей. Не случайно методы запоминания обсуждались ими очень широко. Квинтилиан рассказывает, как поэт Симонид представлял победную оду хозяину грандиозного пира в Фессалии, чемпиону по боксу. По традиции большая часть его панегирика была посвящена прославлению богов-близнецов Кастора и Поллукса. Хозяин, которому надоело слушать восхваления богов, отказался выплатить Симониду всю согласованную ранее цену, заметив, что Кастору и Поллуксу следовало бы уделять поменьше внимания. Чуть позже Симониду сказали, что на улице его ожидают два молодых человека, у которых к нему срочное дело. Не успел Симонид покинуть здание, как оно рухнуло, похоронив всех, кто в нем находился. Молодые люди, которые вызвали Симонида и спасли ему жизнь, исчезли – как считается, это были Кастор и Поллукс. Главное в этой истории вовсе не утверждение моральной обязанности полностью платить по долгам, как можно было бы подумать, а то, что Симонид сделал впоследствии. Тела погибших оказались настолько обезображенными, что их невозможно было опознать. Симонид, однако, запомнил точное расположение всех, кто принимал участие в пире, и указал их имена. Ему открылось «искусство запоминания».

Ссылаясь на эту историю, Квинтилиан говорит, что при заучивании длинного текста его нужно разбить на небольшие части. Затем следует представить себе знакомое место, например свой дом, и поместить части текста в разные комнаты. Теперь, чтобы вспомнить текст, нужно просто пройти по воображаемому дому, комнату за комнатой, восстанавливая попутно запомненный текст. Привязка к месту и постоянное повторение до сих пор остаются лучшими методами запоминания чего-либо и нередко используются людьми с феноменальной памятью.

Память о прошлом

Как и в какой именно части мозга сохраняются воспоминания, остается загадкой. Тот факт, что стимулирование определенных участков головного мозга может вызывать яркие воспоминания – знакомый запах, обрывок песни и даже полную картину события со всеми его переживаниями, – говорит о том, что по крайней мере некоторые воспоминания привязаны к конкретным областям мозга. Люди, страдающие зрительной агнозией, могут терять способность распознавать определенные объекты, несмотря на то, что их органы чувств и память функционируют нормально. Как отмечает Оливер Сакс в своей книге «Человек, который принял жену за шляпу» (The Man Who Mistook His Wife for a Hat), они могут описать, как выглядит перчатка, но не узнают ее, когда видят и не знают, зачем она нужна. Они также могут не узнавать какого-то человека, хотя других узнают, или спутать жену со шляпой. Все это свидетельствует о том, что разные типы информации могут обрабатываться и храниться в разных частях мозга.

Существует также разница между кратковременной и долговременной памятью. Первой мы пользуемся, когда запоминаем какое-нибудь число на несколько минут или план возможных комбинаций в шахматах, прежде чем сделать ход. Кратковременная (или оперативная) память связана, по всей видимости, с работой частей коры головного мозга, в частности лобных долей. Долговременная память позволяет нам вспоминать события детства. Тот факт, что большинство людей не помнят многое из произошедшего до того, как им исполнилось три года, свидетельствует о том, что до этого возраста долговременная память сформирована не полностью. В настоящее время ведутся активные исследования, направленные на то, чтобы понять, как происходит отбор информации из оперативной памяти для долговременного запоминания, как, где и в какой форме она откладывается и, наконец, как эта информация извлекается из памяти.

Одна из областей мозга, имеющих ключевое значение для запоминания, называется гиппокамп из-за сходства по форме с морским коньком, Hippocampus. В нашем мозге их два – по одному с каждой стороны. Их роль была открыта по счастливой случайности при лечении Генри Густава Молисона, больше известного в научных кругах как HM. В детском возрасте HM страдал от неустранимой эпилепсии. В попытке избавить его от припадков в 27-летнем возрасте ему удалили большую часть гиппокампа с обеих сторон мозга. Последствия операции оказались катастрофическими для HM (но золотой жилой для науки), поскольку он потерял способность запоминать что-либо и лишился в определенной мере старых воспоминаний. HM был обречен жить в прошлом. Тем не менее он мог выполнять задания, требовавшие кратковременной памяти, что ясно продемонстрировало различия кратковременной и долговременной памяти. Его способности осваивать новые двигательные навыки тоже не пострадали. HM научился хорошо играть в настольный теннис, хотя помнил, что никогда не играл в него прежде. Он был мягким, терпеливым и скромным человеком, которого работавшие с ним исследователи считали членом своей семьи, несмотря на то, что HM никогда не узнавал их, даже если они возвращались всего через несколько минут после ухода.

Гиппокамп особенно важен для пространственной памяти – нашей способности узнавать места. Водители такси, которым приходится запоминать улицы Лондона, информацию, называемую в разговоре «знанием», имеют более крупный гиппокамп, чем все остальные. Томограммы головного мозга показывают, что гиппокамп активизируется, когда они планируют маршрут, т. е. просто думают, как проехать от Паддингтона до Букингемского дворца. Удивительно, но, когда они прекращают регулярное использование «знания», их гиппокамп возвращается к нормальному размеру. Поговорка «Пользуйся, если не хочешь потерять» как нельзя лучше подходит и для мозга, и для мышц.

Оказывается, мы создаем в голове пространственную карту окружающей обстановки, и это обнаруживается даже на уровне отдельных нейронов гиппокампа. Нервные клетки, которые называют «пространственными», усиливают активность только тогда, когда животное находится в определенном месте пространства. Когда крыса бежит вдоль коридора, например, некоторые клетки сильно активизируются, но стоит ей попасть в место, не соответствующее их «пространственному полю», и активность этих клеток падает. Множество нейронов, каждый из которых имеет свое пространственное поле, формируют «электрическую карту» всего окружающего пространства. При попадании в новое пространство в течение нескольких минут в мозге складывается ее карта, и если животное возвращается в это пространство через несколько дней, то те же нервные клетки возбуждаются в тех же местах. Эта пространственная карта, возможно, является элементом пространственной памяти.

Хотя гиппокамп и имеет принципиальную важность для формирования долговременной памяти, большинство воспоминаний хранятся не в нем. В запоминании, по-видимому, участвуют и многие другие части мозга. Представьте, что вы слушаете оперу, например, «Волшебную флейту». Ваши глаза видят Царицу ночи в экзотическом платье, уши воспринимают исполняемую ею арию. Эти образы поступают соответственно в зрительную и слуховую кору головного мозга, где они интерпретируются, связываются и складываются в единую картину. Информация затем идет в гиппокамп, где принимается решение о том, направлять ли ее в долговременную память. Чтобы информация отложилась в памяти, мозг направляет ее назад в соответствующие области коры, где она остается в виде новых синапсов или усиления существующих связей. Информация, таким образом, циркулирует в мозге. Ни одна ее частица не попадает в память непосредственно от глаз, для запоминания нужна сложная цепь связанных с преобразованием информации событий, которые происходят во множестве областей мозга.

Гиппокамп жестко связывает чувственные образы и впечатления, позволяя «воспроизвести» картину из памяти. Повреждение этой части мозга влияет на нашу способность запоминать новую информацию. В запоминании, однако, участвует не только гиппокамп. Миндалевидное тело также играет определенную роль в закреплении воспоминания. Сможем ли мы вспомнить событие, зависит от того, насколько оно интересно нам, и от сопутствующих эмоциональных ассоциаций. Именно по этой причине большинство из нас хорошо помнят такие события, как рождение ребенка и сообщение о взрыве башен-близнецов, и быстро забывают произошедшее во время обеда в прошлый вторник.

Технические навыки хранятся в памяти отдельно и не анализируются гиппокампом. Мы помним, как ездить на велосипеде, даже если не катались на нем много лет. Этот навык запоминается в мозжечке и в двигательной области коры головного мозга. Именно поэтому люди могут играть на музыкальных инструментах, несмотря на потерю значительной части воспоминаний о местах и событиях, именно поэтому HM хорошо играл в настольный теннис.

Память соткана из этого

Формирование воспоминаний, по всей видимости, связано с изменением физической структуры мозга. Если его когда-то считали неподвижной структурой, то сейчас ясно, что это не так – мозг обладает невероятной способностью адаптироваться. Каждый день в нем возникают новые связи между нервными клетками, а существующие связи укрепляются или исчезают. Этот процесс, называемый синаптической пластичностью, является физической основой обучения и запоминания.

Нитевидные отростки – дендриты – нервных клеток в мозге покрыты тончайшими выростами с шарообразными окончаниями, которые называют шипиками. На отдельно взятом дендрите их количество может исчисляться тысячами. Дендритные шипики являются местами, где образуются синаптические соединения, и именно здесь закрепляются воспоминания. По мере того как мы узнаем новое и запоминаем новую информацию, появляются новые шипики, а существующие шипики изменяют форму или исчезают. С увеличением их размера и числа укрепляется определенный нейронный проводящий путь. Укрепление нередко происходит, когда одновременно активируются несколько соединений между нейронами, и, как выражаются нейрофизиологи, «клетки, которые возбуждаются вместе, привязываются друг к другу». Этот процесс протекает очень быстро. Эксперименты на мышах показали, что обучение нажимать на кнопку для получения пищи связано с резким увеличением числа новых синапсов в течение всего одного часа. Удивительным в этих экспериментах оказалось то, что новые шипики долго не исчезали после прекращения обучения, однако общее количество шипиков постепенно возвращалось к уровню, существовавшему до обучения, в результате исчезновения старых шипиков. Возможно, мозг может поддерживать только определенное количество соединений и освоение нового способно снижать нашу способность помнить старые события. Центральным элементом запоминания являются ионные каналы, поскольку для сохранения существующих синапсов и появления новых необходимы различные виды каналов глутаматных рецепторов. При отсутствии таких или при нарушении их функционирования наша способность запоминать уменьшается.

С возрастом способность помнить о прошлых событиях теряется. Почти фотографическая память, которая была у меня в детстве, давным-давно пропала, и вспомнить имена и лица мне сейчас намного труднее. Но это совершенная ерунда по сравнению с поражением памяти в результате болезни Альцгеймера, которой в Великобритании страдают примерно полмиллиона человек. Это самый страшный недуг, поскольку он крадет душу. Поначалу кажется, что у больного лишь небольшая забывчивость, но со временем он забывает всех друзей и родственников, становится дезориентированным, отстраненным и подавленным.

Болезнь Альцгеймера приводит к потере нейронов и синаптических связей в коре головного мозга и в конечном итоге к уменьшению размера мозга. Внутри нервных клеток появляются клубки так называемого тау-белка, а в пространстве между нервными клетками формируются плотные амилоидные бляшки. Являются ли они причиной или следствием гибели клеток, неизвестно. Электрическая активность мозга явно нарушается, но происходит ли это в результате потери нервных клеток и заметного сокращения числа дендритных шипиков или в результате ухудшения коммуникации между нервными клетками, неясно. В соответствии с одним из предположений болезнь вызывает сокращение количества ацетилхолина в определенных областях мозга, и поэтому больным в настоящее время назначают препараты, блокирующие разрушение этого нейромедиатора. Это, однако, не дает значительного эффекта, а просто замедляет развитие болезни. Средств, позволяющих остановить ее прогрессирование или устранить последствия, не существует. В отсутствие эффективных лекарств болезнь Альцгеймера остается трагедией как для больных, так и для их близких.

О природе поведения

Получение представлений о том, как именно мозг управляет поведением, задача очень непростая. Один из подходов предполагает выделение вклада отдельных нейронов. Опубликованная не так давно новаторская работа профессора Геро Мизенбока из Оксфордского университета фактически открыла новый раздел нейрофизиологии – оптогенетику, позволив включать (или выключать) по желанию конкретную группу нервных клеток без воздействия на активность соседних нейронов. При таком подходе появляется возможность управлять поведением животного с помощью простого включения света. Этот метод основан на использовании ионных каналов, которые действуют как активируемые светом молекулярные выключатели. Он предполагает их встраивание в группы нервных клеток, где они находятся в закрытом состоянии, не оказывая никакого влияния на электрическую активность клеток до тех пор, пока исследователь не откроет их с помощью интенсивного импульса лазерного излучения с определенной длиной волны. Один из таких активируемых светом ионных каналов, так называемый канальный родопсин, получают из зеленых водорослей. Простое включение лазерного излучения открывает канал, обеспечивая приток положительно заряженных ионов, которые стимулируют активность клетки. Возможность точно регулировать длительность облучения и момент включения лазера позволяет вызывать активность отдельных нервных клеток и изучать, как характер их активности влияет на поведение. Аналогичным образом можно подавлять электрическую активность нервной клетки с помощью светочувствительного ионного канала, который в открытом состоянии удерживает на мембране клетки потенциал покоя.

Для привлечения партнерши самец плодовой мушки издает особый звук, брачную песню, с помощью быстро вибрирующих крыльев. Мизенбока заинтересовал тот факт, что, несмотря на практически одинаковую организацию мозга самцов и самок мушек, ведут они себя по-разному. Его исследовательская группа обнаружила, что при включении определенной группы нейронов с помощью светового импульса можно заставить самок исполнять брачную песню самцов. Все выглядит так, словно у плодовых мушек «бесполый» мозг, который воспроизводит разные модели поведения – мужскую или женскую – в зависимости от состояния центрального нейронного выключателя. Если стимулировать соответствующие нервные клетки, то мушку можно даже «научить» тому, что она никогда не знала. Но если управлять поведением плодовых мушек сравнительно просто, то о млекопитающих этого сказать нельзя, поскольку лазерный луч не проникает сквозь череп и световой импульс приходится передавать через волоконно-оптический кабель, имплантированный в мозг. Тем не менее было доказано, что таким образом можно управлять и поведением мыши. Оптогенетика – очень перспективное направление, обещающее пролить свет на то, как мозг управляет поведением.

Другие формы социального поведения имеют такую же прочную связь с мозгом, как и брачные песни и танцы плодовых мушек. Кроме того, пережитый опыт физически видоизменяет мозг, что объясняет, почему однояйцевые близнецы, несмотря на совершенно одинаковую генетическую конституцию, являются разными людьми. Это чудесно иллюстрирует стайная иерархия у лангустов. В случае опасности лангуст делает резкое движение хвостом, которое катапультирует его назад. Когда два лангуста находятся в одном аквариуме, один из них быстро занимает доминирующее положение, а другой – подчиненное, и это сопровождается заметным различием в электрической реакции гигантских нервных волокон, управляющих сокращением хвоста, и фактически в эффекте, который нейромедиатор серотонин оказывает на эти волокна. При удалении доминантной особи из аквариума подчиненная особь приобретает доминирующую электрическую реакцию, изменяя характер воздействия серотонина на нервные клетки. Любопытно, что лангуст, побывавший в положении альфа-особи, больше не возвращается к предыдущему состоянию. Хотя он может опять стать подчиненным при появлении в аквариуме более агрессивной особи и проиграть в схватке с нею, «доминантный» эффект серотонина не исчезает. В своеобразном неврологическом отрицании его мозг навсегда остается доминантным. В телевизионных реалити-шоу, связанных с игрой в различных персонажей эдвардианского общества, участники очень быстро занимают роли господ и слуг. Хотелось бы знать, в какой мере такие ролевые игры физически изменяют их мозг.

«Заснуть и, может быть, увидеть сон»[39]

Отход ко сну – настолько обыденное явление, что мы редко задумываемся о нем. Каждый вечер, засыпая, мы отключаем сознание, расслабляемся и перестаем реагировать на мягкие раздражители. Сон связан с характерным изменением электрической активности нашего мозга, однако это не простое глобальное подавление функционирования нервных клеток, а высокоорганизованный феномен. Хотя обычно сон представляется нам как единообразное состояние, на самом деле в нем выделяются две четко различимых фазы: фаза быстрого сна с быстрым движением глаз и фаза медленного сна с медленным движением глаз. На протяжении всей ночи периоды быстрого сна чередуются с периодами медленного сна. Каждый цикл длится примерно 90 минут, и человек проходит через них за ночь четыре-пять раз. В совокупности около 25 % времени, которое мы проводим во сне, т. е. от полутора до двух часов за ночь, приходится на фазу быстрого сна, продолжительность которой увеличивается с каждым циклом по мере приближения утра.

Засыпая, человек сначала входит в состояние дремы – промежуточное состояние между сном и бодрствованием. Пребывание в этой сумеречной зоне продолжается всего несколько минут, после чего наступает фаза медленного сна. В это время ЭЭГ изменяется, отражая прохождение через различные стадии неглубокого сна, пока на ней не появятся медленные, плавные низкочастотные волны, соответствующие глубокому сну. Мышцы при этом расслабляются, а способность реагировать на внешние раздражители снижается. Активность многих областей мозга, особенно коры, падает, и спящего становится трудно разбудить.

Как ни удивительно, но после примерно часового пребывания в глубоком сне наше состояние резко изменяется. Хотя тело по-прежнему остается в глубоком сне, мозг, похоже, просыпается, и на ЭЭГ начинается буйство быстрых низковольтных высокочастотных волн. Многие области мозга активируются, а особенно высокой становится активность областей, связанных с эмоциями, таких как миндалевидное тело. Это время интенсивных сновидений, и если вы проснетесь в этот момент, то, скорее всего, сможете вспомнить их. Мышцы остаются парализованными под действием тормозящих сигналов, посылаемых стволом мозга, иначе мы могли бы нанести себе вред, действуя под влиянием сновидений. Активность сохраняют (к нашему счастью) только дыхательные мышцы и мышцы глаз, которые связаны непосредственно с головным мозгом и, таким образом, избегают тормозящего воздействия ствола мозга. Возникает шквал быстрых движений глаз, именно поэтому этот период называют фазой быстрого сна. При повреждении мозга и утрате способности тормозить движения мышц во время сна люди, бывает, встают с кровати и ходят во сне. Иногда их приходится физически удерживать, чтобы они не нанесли вред себе или тому, с кем они спят. Когда человек выходит из фазы быстрого сна, контроль над мышцами автоматически восстанавливается. Изредка у людей это происходит не сразу, и они могут чувствовать себя временно парализованными – очень неприятное ощущение.

В фазе быстрого сна наши органы чувств также отключаются от мозга, и мы оказываемся отрезанными от мира. Информация от органов чувств поступает в кору головного мозга через так называемый таламус, но во время сна этот проводящий путь практически перекрывается и мало что пропускает. Мы словно отделены стеной от мира, изолированы от чувственной информации и не можем управлять мышцами, но наш мозг работает на повышенной передаче. Это как в автомобиле – двигатель раскручен на полную, но движения нет, поскольку не включена передача. Сон, таким образом, представляет собой динамическую активность. Мозг не выключается, а перестраивает свою активность.

В жизни каждого случаются моменты, когда вдруг хочется спать посреди дня. Нередко такое бывает в результате перелета в другой часовой пояс, но у некоторых людей чрезмерная сонливость превращается в проблему. Взять хотя бы Клэр, которая неожиданно засыпает в совершенно неподходящие моменты и ничего не может поделать с этим. Как-то раз она так сильно смеялась над шуткой своей подруги, что у нее подогнулись колени и она грохнулась на пол. Да что там говорить, любое чрезмерное волнение или сильное переживание приводит к такой потере мышечного тонуса, что она становится безвольной и падает. Клэр страдает хроническим расстройством сна, называемым нарколепсией, характерным признаком которого является чрезмерная дневная сонливость, несмотря на совершенно адекватный сон в ночное время. Утрата мышечного тонуса, которую называют катаплексией, возникает в результате того, что тормозящие пути, не дающие нам двигаться во время сна, включаются некстати во время бодрствования или в самом начале цикла сна.

Группа ученых под руководством Эммануэля Миньо исследовала наследственную черту собак породы доберман-пинчер, у которых наблюдалась та же патология, что и у Клэр. Учуяв лакомство, одна из этих собак радостно подбегала, хватала несколько кусков, но через несколько секунд настолько возбуждалась, что лапы переставали держать ее, и она падала. Эта патология является наследственной, и в процессе поиска гена, ответственного за нее, ученые обнаружили вещество орексин (или гипокретин), которое не дает нам уснуть. Оно вырабатывается в небольшой области гипоталамуса и стимулирует электрическую активность других областей мозга. Если у человека не вырабатываются орексины или недостаточно орексиновых рецепторов (как в случае доберманов-пинчеров), то он непроизвольно засыпает в самые неподходящие моменты.

Сон – неотъемлемая часть жизни. Спят все живые существа, даже насекомые и рыбы, и если нам для сна требуется в среднем восемь часов, то некоторые создания спят намного дольше. Чемпионом в этом деле является двупалый ленивец, который спит целых 20 часов в сутки. Морские млекопитающие могут утонуть, если заснут под водой, поэтому во время отдыха у них одна часть мозга продолжает бодрствовать, пока другая крепко спит. Это же происходит у многих птиц, которые, хотя и спят ночью, нередко держат один глаз открытым, чтобы не прозевать приближающегося хищника.

Почему именно мы спим, остается загадкой, хотя факты и говорят, что сон важен для переноса информации в долговременную память. Вы, без сомнения, знаете по опыту, что, если хорошо не выспаться, способность запоминать снижается. Удивительно, но даже короткий сон днем помогает выучить новое задание. По одной из гипотез во время формирования долговременной памяти, усвоения и организации новых знаний важно, чтобы новая информация не приводила к путанице. При отключении от внешнего мира воспоминания легче воспроизводятся, закрепляются, откладываются или отбрасываются. В какой-то мере это подтверждается тем, что во время сна «пространственные клетки» гиппокампа согласованно генерируют импульсы, а это указывает на воспроизведение пространственной карты, которая формируется в мозге, когда животное попадает в незнакомое место. Мозг словно вспоминает произошедшее, хотя и непонятно, с чем связано это воспроизведение – с формированием долговременной памяти или с переносом воспоминаний из гиппокампа в другие области мозга.

Так или иначе, каким бы ни было действительное предназначение сна, он для нас жизненно необходим, ибо человек, лишенный сна, быстро умирает. Сон – это вовсе не «маленький кусочек смерти», как считал Эдгар Аллан По. Это и не еженощная бесполезная трата времени. Скорее это, как выразился Шекспир, «главнейшее из блюд на пире жизни», и мы должны следить, чтобы его было в достатке.

Бог сновидений

Как-то раз, когда я была еще ребенком, вся моя семья слегла от сильнейшего гастроэнтерита. Все лежали пластом, и лишь я одна могла сходить за лекарством. Мы жили в уединенной деревушке, где в те времена не ходили автобусы, и мне пришлось сесть на велосипед и ехать целых восемь километров до ближайшего медпункта. Мне дали большую бутылку каолина с морфином, которую я запихнула в карман. Обратная дорога обернулась кошмаром, поскольку стало ясно, что я тоже заразилась – меня тошнило и по пути несколько раз вырвало. До дома я добралась совершенно без сил. Мама сразу же дала мне большую дозу лекарства, но из-за того, что она сама еле держалась на ногах, ей и в голову не пришло встряхнуть бутылку. Пока я ехала домой, каолин осел на дно, а сверху оказался (слабый) раствор чистого морфина. Морфин, названный так по имени греческого бога сна Морфея, является сильным снотворным средством, и я проспала целые сутки.

Морфин оказывает не только снотворное действие. Он также дает релаксирующий эффект, вызывает состояние сладостной, полной сновидений эйфории и облает способностью облегчать боль. Его используют уже не одну тысячу лет как лекарство и как рекреационный препарат в форме опиума, сырого экстракта опиумного мака Papaver somniferum. Как заметил знаменитый врач VII в. Томас Сиденгам, «среди средств, дарованных человеку Всемогущим Господом для облегчения страданий, ни одно не является таким универсальным и таким действенным как опиум». Исторически смесь опиума со спиртом, называемая настойкой опия, использовалась для лечения разных заболеваний, в результате чего многие приобретали наркотическую зависимость, включая поэта Сэмюэля Кольриджа, который, как считается, написал стихотворение «Кубла Хан» под действием наркотика. Были и такие, кто употреблял ее для удовольствия. Томас де Квинси в своей знаменитой «Исповеди англичанина, употребляющего опиум» написал: «Я, несчастный человек, был настолько очарован сказочным избавлением от боли, что теперь вынужден прибегать к опиуму в отвратительном стремлении к безрассудной усладе, в желании всеми путями получать удовольствие».

Как и другие вызывающие привыкание наркотики, морфин стимулирует центры удовольствия в мозге и в случае приема излишнего количества вызывает настолько сильное наслаждение, что после его прекращения наркоман хочет получить новую дозу. Использование морфина приносило несчастья не только отдельным людям. В конце XVIII в. между Великобританией и Китаем развернулась очень прибыльная и беззастенчивая торговля при посредничестве Ост-Индской компании. Чай, который в те времена производился только в Китае, пользовался большим спросом в Великобритании. Китай требовал расчетов серебром, но это было дорого, и британские коммерсанты постепенно перешли на обмен чая на опиум. Опиум поставлялся тайным образом из Индии обходными путями. Это обернулось катастрофой для Китая. Из-за того, что опиум вызывал наркотическую зависимость, его употребление вошло в привычку, и, как следствие, значительная часть крестьян перестала работать, а армия стала небоеспособной. Когда Китай запретил продажу опиума и потребовал прекратить его нелегальный импорт, Великобритания, учитывая экономическую значимость нелегальной торговли, отказалась сделать это. Конфликт вылился в печально известные Опиумные войны, которые привели к передаче Гонконга под британское правление, закладыванию чайных плантаций в Индии и заключению новых торговых соглашений. Чай, можно сказать, оказался способным вызывать не менее сильную зависимость, чем опиум (по крайней мере в Великобритании).

Морфин и героин, сходный с ним по структуре, принадлежат к классу наркотиков, называемых опиатами. Они присоединяются к опиоидным рецепторам в головном и спинном мозге, перекрывая кальциевые каналы и подавляя выделение нейромедиаторов и электрическую активность нейронов. Размышляя, зачем вообще нам нужны опиоидные рецепторы, Джон Хьюз и Ганс Костерлиц предположили, что организм может вырабатывать собственные опиаты. Это привело к открытию эндорфинов (этот термин образован из двух слов – эндогенный и морфин), вырабатываемых организмом химических веществ, которые выделяются в ответ на боль. Они также вызывают чувство бодрости и хорошего состояния при занятии бегом и других видах интенсивной физической нагрузки.

Как и синтетические опиаты, эндорфины подавляют электрические импульсы в болевых нервных клетках. Если вы когда-нибудь видели, как надевают петлю на морду лошади для ее успокоения, то должны представлять, каким сильным может быть действие эндорфинов. Петлю делают из веревки, пропускаемой вокруг чувствительной верхней губы животного, и часто используют для успокоения норовистой лошади во время подковывания или обследования. При перекручивании и сдавливании веревки – и губы – кажется, что лошадь почти засыпает: она перестает перебирать ногами, ее голова поникает, взгляд становится неподвижным. Это происходит потому, что ее организм захлестывают эндорфины, выделяющиеся в ответ на сильную боль в сжатой губе. Акупунктура также инициирует выброс эндорфинов, и это позволяет проводить некоторые хирургические операции без анестезии.

Сногсшибательные капли

Гемфри Дэви был исключительным любителем ставить эксперименты на себе. Несмотря на то, что эксперимент с вдыханием чистой окиси углерода чуть не погубил его, он продолжал исследовать физиологическое воздействие других веществ. В 1799 г. Дэви обнаружил, что закись азота, которую некоторые считали смертельно опасной, вызывает эйфорию и неконтролируемые приступы смеха и даже заставляет пускаться в безумную пляску. Вдыхание закиси азота скоро стало для него повседневной забавой. Как ни странно, несмотря на то, что Дэви обратил внимание на способность газа снимать боль и даже приводить к потере сознания, он так и не разглядел в нем потенциальный анестетик.

Это еще один из примеров того, как открытие, сделанное в Великобритании, было потом успешно внедрено в практику предпринимателями в Соединенных Штатах. Впервые общий наркоз в целях обезболивания применила группа американских дантистов, которые искали способ безболезненного удаления зубов. В числе пионеров был Хорас Уэллс, который сначала попробовал закись азота на себе, а потом на своих пациентах. Уверенный в достоинствах нового метода, Уэллс организовал публичную демонстрацию удаления зуба под наркозом для студентов-медиков в Бостоне в 1845 г. Демонстрация оказалась неудачной – газ из мешка перестали давать слишком рано, пациент завопил от боли, а наблюдавшие за этим студенты освистали экспериментатора. Уэллс был настолько обескуражен провалом, что оставил стоматологию, пристрастился к хлороформу и в состоянии наркотического опьянения облил серной кислотой двух проституток. Осознав содеянное, он покончил с собой. Горечь провала усиливалась еще и тем, что годом ранее его коллега Уильям Томас Грин Мортон успешно провел в Бостоне публичную операцию, использовав для наркоза эфир. Мортон, в отличие от Уэллса, приобрел широкую известность. Со значительно меньшим энтузиазмом было встречено его стремление сделать деньги на этом методе: попытка запатентовать использование эфира в качестве анестетика вызвала всеобщее возмущение, а обращение к конгрессу с требованием выплатить $100 000 в качестве «национальной награды» за изобретение сочли неприемлемым.

Поскольку эфир раздражал легкие (и легко взрывался), Джеймс Симпсон, шотландский акушер, стал использовать хлороформ для обезболивания родов. Хотя некоторые выступали против такой практики, ссылаясь на Книгу Бытия, где Бог говорит Еве о том, что «в муках она будет рожать детей своих», этот метод получил неожиданную рекламу после его успешного применения во время родов королевы Виктории 7 апреля 1853 г., когда она разрешилась восьмым ребенком, принцем Леопольдом. British Medical Journal прокомментировал это событие так: «Королевское происхождение пациентки и ее успешное возвращение к нормальной жизни являются фактами, которые должны развеять в значительной мере существующие профессиональные и общераспространенные предрассудки, связанные с использованием анестезии в акушерстве». Любопытно, что, по сообщению «Придворного циркуляра», во время родов рядом с королевой находились не только ее доктора и медсестра, но и принц Альберт, который оказался абсолютно современным мужем.

Хороший общий наркоз должен обеспечивать отключение сознания, потерю чувствительности к боли (аналгезию), неподвижность и, предпочтительно, определенную потерю памяти, так чтобы вы не помнили происходившего. Все это должно достигаться без воздействия на сердце и, если возможно, на дыхательные мышцы, а также без приступов рвоты или других продолжительных неврологических осложнений. И, конечно же, выход из наркоза должен быть легким. Все эти свойства необязательно имеются у отдельно взятого средства. Эфир и хлороформ – эффективные анестетики, но они далеки от идеала, и в наши дни для отключения сознания и памяти обычно используют пары таких препаратов, как изофлуран и севофлуран, или впрыскивают препараты типа пропофола, а аналгезии и расслабления мышц добиваются с помощью других средств. Как ни удивительно, но к закиси азота по-прежнему прибегают во многих случаях.

При общем наркозе человек сначала входит в заторможенное состояние: он начинает дремать и, даже если прекратить наркоз в этот момент, мало чего помнит о пережитом состоянии. Постепенно человек перестает реагировать на слова и теряет сознание. Как ни странно, после этого он входит в возбужденное состояние с неконтролируемыми движениями и нерегулярным дыханием, но потом мышцы расслабляются снова, дыхание выравнивается, глаза перестают двигаться, и наступает настолько глубокий сон, что хирург может произвести операцию без причинения боли. В этом состоянии томограммы показывают, что метаболическая активность всего мозга равномерно подавляется, т. е. отключаются все области мозга. По всей видимости, каких-либо областей, особо чувствительных к общему наркозу, не существует. К большому разочарованию нейрофизиологов, пытающихся понять, в какой именно области мозга возникает сознание, невозможно обнаружить такую область, активность которой «угасает» в момент потери сознания.

Хотя общий наркоз делают тысячам людей в мире ежедневно, мы все еще слабо понимаем, как он работает, и то, каким образом в результате наркоза отключается сознание, остается одной из величайших загадок нейрофизиологии. Последние данные говорят о том, что наркоз подавляет электрическую активность мозга путем взаимодействия с ионными каналами. Предполагается, что наркоз стабилизирует определенное конформационное состояние канала, заполняя «полости» в самой белковой молекуле или встраиваясь между белком и липидной мембраной, в которой он находится. Одни анестетики, похоже, открывают ионные каналы, которые подавляют электрическую активность клеток мозга, например ГАМК-каналы, глициновые рецепторы и калиевые каналы. Другие анестетики блокируют синаптическую передачу, подавляя функцию возбуждающих глутаматных рецепторов. Факт подавления активности как возбуждающих, так и тормозящих нейронов соответствует общей картине подавления электрической активности, наблюдаемой на томограммах мозга.

Кто я есть?

Вопрос о том, что именно представляет собой сознание, занимает умы философов и нейрофизиологов уже не одно столетие, но мы по-прежнему далеки от его четкого понимания. Так или иначе, это нечто такое, с чем каждый из нас прекрасно знаком, и такое, что все мы имеем. «Я мыслю, – сказал Рене Декарт еще в XV в., – следовательно, я есть». Но что в точности есть мое «Я»?

С точки зрения Декарта, разум и тело были разными сущностями. Однако глубокие изменения нашей личности под действием наркотиков, болезней и травм мозга свидетельствуют о том, что это не так – наш разум является продуктом деятельности мозга. Между прочим, у меня не раз возникал вопрос, не является ли декартовский взгляд в какой-то мере результатом того, что философия когда-то была прерогативой мужчин, у которых пенис нередко жил своей собственной жизнью, иногда отказываясь действовать, несмотря на желание, а иногда проявляя неуемную прыть в неподходящие моменты? Женщины, чье эмоциональное состояние совершенно очевидно связано с гормональным циклом, все время помнят о связи между телом и разумом.

Несмотря на наше очень сильное чувство собственного «Я», нейрофизиологи показывают, что мы – не более чем совокупная электрическая активность клеток нашего мозга. Каким бы неудобным это ни казалось, не существует ни отдельной сущности, ни души, ни того, что продолжает жить после нашей смерти, – этот факт, несомненно, приводит науку в прямое противоречие с множеством религиозных представлений. Так откуда оно берется, это пресловутое чувство собственного «Я», эта личность, сидящая в моей голове, смотрящая на мир моими глазами, стучащая по клавиатуре, пытающаяся передать свои мысли вам?

Чувство собственного «Я» не является врожденным. Младенцы не осознают себя и не понимают мыслей и переживаний других. Эти качества развиваются у детей постепенно. Проще всего определить наличие самосознания у очень маленьких детей или у животных можно путем проверки их способности узнавать себя в зеркале, прилепив яркую наклейку им на лоб. Если они идентифицируют себя, то будут стараться снять наклейку, а если нет, то не будут делать ничего или постараются дотронуться до отражения. В соответствии с этим критерием дети обретают самосознание в возрасте от двух до трех лет. Похоже, что наш мозг должен достичь определенной стадии развития, прежде чем самосознание проявится в полной мере. И это не мгновенное «пробуждение» – психологи говорят, что самосознание развивается в несколько этапов.

Следующий очевидный вопрос – в какой области мозга находится самосознание? Является ли оно распределенной сущностью, определяемой множеством сетей нервных клеток, или расположено в определенной группе нервных клеток? Исследования больных с повреждениями мозга показывают, что у самосознания нет конкретного места расположения. Хотя повреждение той или иной области мозга способно кардинальным образом изменить нашу личность, оно не превращает нас в зомби, т. е. в человека без чувства собственного «Я», но нормально функционирующего во всем остальном. Кроме того, ни одна область мозга не «выключается» одновременно с отключением сознания при общем наркозе. Отключение сознания, которое происходит во время сна, также сильно отличается от того, что происходит под действием наркоза. Наркоз приводит к общему подавлению электрической активности мозга, а сон – это тонко регулируемое активное состояние. Очень разный характер активности мозга во время сна, общего наркоза и в состоянии бодрствования указывает на то, что отключение сознания – и по косвенным признакам, возможно, самосознание – может быть следствием не одной, а нескольких причин. Также, по всей видимости, для него нужна суммарная активность множества нейронов, но каких именно, остается загадкой.

Помимо прочего, следует отметить, что память тесно связана с нашим восприятием сознания. Больные, получившие определенные успокоительные средства, отвечают на вопросы врача, чувствуют боль и, возможно, будут утверждать, что находятся в сознании, если их спросить. Однако, когда действие препарата кончается, они ничего не могут вспомнить и говорят, что были без сознания на протяжении всей операции. Аналогичную потерю памяти вызывают печально известные средства, например рогипнол, используемые преступниками для отключения сознания жертвы изнасилования. Возможно, одной из причин, по которым самосознание у детей не развивается до двух-трехлетнего возраста, является отсутствие долговременной памяти примерно до этого же возраста – мало кто помнит события, происходившие до того, как нам исполнилось три года.

И все же вы можете возразить: «Она так реальна, эта личность в моей голове. Ну разве может такое быть всего лишь иллюзией?» Не забывайте, что нас очень легко ввести в заблуждение. Это мозг определяет наше восприятие мира и то, как мы на него реагируем. Он постоянно заставляет нас считать, что мы что-то видим или слышим, когда на самом деле этого нет. Зрительных иллюзий великое множество, и наше внимание непостоянно. Сканирование мозга показывает, мы можем действовать на основе решения, например нажать на кнопку правой или левой рукой, еще до того, как осознали его принятие. Свобода воли, как и многое-многое другое, – просто иллюзия. Это тоже умопостроение нашего мозга.

Скорее всего, существует множество причин, по которым у людей развилось сознание, но одна из них, пожалуй, заключается в том, что самосознание связано с нашей способностью понимать мысли и чувства других. Это принципиально важно для коллективной работы и социального единства, неотъемлемых атрибутов процветания нашего биологического вида. Единственные животные, помимо человека, которые демонстрируют наличие самосознания в тесте с зеркалом, также являются социальными – это шимпанзе, слоны и дельфины.

Происхождение сознания – один из самых сложных вопросов нашего времени, и настоящее минное поле как для философов, так и для нейрофизиологов. Он слишком сложен, чтобы рассматривать его здесь, ограничившись несколькими строчками. Так или иначе, большинство ученых сейчас соглашаются с тем, что сознание является результатом электрической активности мозга, а она, в свою очередь, является результатом активности моих любимых белков – ионных каналов. Хотя мы по-прежнему не знаем слишком многого о том, как именно нейронная активность преобразуется в когнитивную функцию, новые технологии позволяют надеяться, что рано или поздно нам все же удастся понять принципы формирования и управления нашим поведением. Они могут также дать новые представления о происхождении наших мыслей и переживаний. Работа разума перестала быть вотчиной философов и теологов. Теперь это предмет исследования нейрофизиологии, поскольку наши мысли и эмоции, наше чувство собственного «Я» являются отражением вихря электрических сигналов, захлестывающих мозг. Мэри Шелли была намного ближе к истине, чем подозревала, когда назвала электричество искрой жизни. Мы и в самом деле не более чем заряженная электричеством плоть.

Глава 12

Шоковая терапия

Там, где виски, где волосы теснятся,

Там, где чувствительное место.

Однажды для проверки

Напильник бросил я на электроды

Двенадцативольтовой батареи – она взорвалась, как граната.

Один вас подключил.

Другой рванул рубильник. Они пронзили

Молнией ваш череп.

В своих отбеленных халатах, с бесцветными глазами

Они опять склонились,

Чтобы увидеть, как вы там, затянутый ремнями.

Тед Хьюз. Чувствительное место

Приведение приговора в исполнение состоялось 4 января 1903 г. в нью-йоркском парке аттракционов Кони-Айленд. Это событие привлекло более 1500 «любопытствующих», которые собрались, чтобы посмотреть на происходившее. Преступницей была 28-летняя слониха по кличке Топси. Когда-то Топси выступала по всей Америке в цирке Forepaugh Circus, но потом попала в Кони-Айленд, где стала агрессивной и убила трех служителей зоопарка. Один раз, правда, на такой поступок ее спровоцировал служитель, который пытался скормить ей зажженную сигарету. Слониха неожиданно схватила его хоботом и бросила на землю, от чего тот мгновенно скончался. Владельцы зоопарка решили, что слониха слишком опасна, но избавиться от животного весом шесть тонн и ростом три метра было непросто. Яд здесь оказался бессильным. Томас Эдисон, который в то время с головой ушел в сражение вокруг достоинств систем постоянного и переменного тока, увидел в этом случае возможность рекламы и предложил убить слониху с помощью электрического тока. Итак, Топси надели башмаки с медной обкладкой, привязали ее цепями и подали разряд напряжением 6000 В. Смерть наступила мгновенно. Эдисон заснял этот отвратительный спектакль с помощью изобретенной им кинокамеры и стал демонстрировать ленту по всей стране как доказательство опасности переменного тока{33}. Это был, как заметила тогда газета The New York Times, «довольно некрасивый ход».

Электричество не только дает энергию нашему организму, его можно использовать также для манипулирования им. Эта заключительная глава посвящена тому, как электричество используется во благо и во зло. Из нее вы узнаете о применении электричества в медицине, начиная с античных времен, в научных целях с конца XVIII и начала XIX в. до наших дней и о том, как оно может изменить нашу жизнь в будущем. В ней также затрагивается темная сторона использования электричества – для умерщвления, нанесения увечий и контроля других.

Электричество – простое и полезное средство

Электричество применялось в медицине с античных времен. Еще в 46 г. от Рождества Христова древнеримский врач Скрибоний Ларг рекомендовал использовать электрического ската Torpedo для облегчения подагрической и головной боли. Головная боль, писал он, «даже если она хроническая и непереносимая, отступает и излечивается прикладыванием живого ската к больному месту». Это приводит к онемению, которое притупляет боль. В соответствии с рекомендацией Скрибония в запасе нужно было иметь несколько скатов, поскольку для исцеления иногда требовались две или три рыбы. При подагре «живого ската необходимо, когда начинаются боли, подложить под ноги. Больной должен стоять на берегу, увлажняемом морскими волнами, до тех пор, пока не онемеют ступни и голени до самых колен. Это снимает существующую боль и предотвращает приступ, если он еще не начался». Скаты не всегда есть под рукой, их эффективность ограничена – они быстро погибают при извлечении из воды, да и длительное стояние на берегу тоже не подарок. В результате электротерапия стала распространенным методом лечения лишь с изобретением электростатического генератора в XVIII в.

Одним из пионеров электрошоковой терапии был преподобный Джон Уэсли, основатель методистского движения. Уэсли заинтересовался электричеством в конце 1740-х гг. после посещения нескольких публичных демонстраций «электрического огня» и изучения описания экспериментов Бенджамина Франклина. Движимый чувством сострадания к своей пастве, у которой почти не было доступа к медицинскому обслуживанию, он увидел в электричестве «потрясающе дешевый и легкий метод» лечения множества болезней. Примерно в 1753 г. Уэсли раздобыл электрическую машину и стал экспериментировать на себе и других. Благотворное воздействие электричества произвело на него такое впечатление, что он установил электрошоковые машины в бесплатных клиниках Бристоля и Лондона, где могли лечиться бедняки.

Уэсли писал: «Я предписал ряду прихожан, которые страдали разными расстройствами, лечение электричеством; часть из них сразу почувствовала облегчение, остальные же исцелились постепенно. С этого времени я выделил сначала несколько часов в неделю, а впоследствии час каждый день, когда любой желающий мог попробовать на себе благотворное влияние этого удивительного лекарства. Два или три года спустя пациентов стало так много, что нам пришлось распределять их – часть проходила лечение в Саутуорке, часть – в Фаундери, еще часть – в районе собора св. Павла, а остальные – неподалеку от Севен-Дайлс: с той поры мы постоянно использовали этот метод; и на сегодняшний день, хотя сотни, если не тысячи, получили бесспорное облегчение, я не знаю ни одного мужчину, женщину или ребенка, которому бы метод повредил». Основываясь в определенной мере на этих успешных результатах, Уэсли опубликовал в 1760 г. «Искомое» (Desideratum), трактат о том, как «гуманность и здравый смысл сделали электричество простым и полезным средством». В нем он описал множество случаев, когда мышечные судороги, головная боль и ревматизм очевидным образом излечивались с помощью электротерапии. Любопытно, что, с точки зрения Уэсли, электротерапия была особенно эффективна при нервных расстройствах.

Машина, которую использовал Уэсли, была, по всей видимости, простым электростатическим генератором{34}. При вращении рукоятки стеклянный цилиндр терся о кусок шелка и генерировал электростатический заряд, который снимался гребенкой, присоединенной к тонкому металлическому стержню. Пациент, предположительно, брался рукой за этот стержень. Кроме того, генерируемый заряд мог собираться и накапливаться в лейденской банке. Силу электрического разряда регулировали количеством оборотов, которые делала рукоятка генератора, или в случае лейденской банки ее размером (чем меньше банка, тем слабее электрический разряд). Дозы, которые прописывал Уэсли, по всей видимости, базировались на работе Ричарда Ловетта, певчего из Вустерского кафедрального собора, и на его собственном опыте и наблюдениях. Мягкий электрический разряд, ощущаемый при проскакивании «электрического огня» через тело, предположительно считался полезным с терапевтической точки зрения. Уэсли применял довольно мягкие электрические разряды, которые, скорее всего, были безопасными, однако совершенно неясно, насколько эффективным являлось такое лечение. Даже в наши дни не прекращаются споры о том, способно ли мягкое электрическое стимулирование давать положительный эффект при атрофии мышц и хронических болях, и похоже, что облегчение, испытываемое больными, объясняется эффектом плацебо и сочувствием со стороны врача.

Не все пациенты, похоже, были в восторге от электротерапии.

Не все одобряли попытки Уэсли исцелять бедняков. Некоторые представители «медицинского сословия», которых Уэсли считал алчными и жадными, полагали, что он вторгается в их вотчину. Так или иначе, его успех подтолкнул к учреждению в 1793 г. Лондонского электрического диспансера, который финансировался путем открытой подписки. За десятилетие лечение в нем прошли более 3000 больных. Переносные электрические аппараты позволили оказать помощь еще многим тысячам страдавших.

Король электрических чудес

Другим сторонником электротерапии, но совершенно иного пошиба, был пресловутый «д-р» Джеймс Грехем, предприниматель, который уверовал в то, что «электричество оздоровляет весь организм и исцеляет все физические дефекты». Джеймс Грехем родился в Эдинбурге в 1745 г. в семье шорника. Медицину он начал изучать в Эдинбургском университете, но бросил учебу и эмигрировал в Соединенные Штаты, когда ему было немногим больше 20 лет. Там, несмотря на отсутствие диплома об образовании, Грехем основал медицинскую практику в Филадельфии{35}. Именно в Филадельфии он открыл для себя электричество после лекции Эбенезера Киннерсли, популяризатора экспериментов Франклина, и быстро понял, что эта новая сила может стать не только панацеей от всех болезней, но и источником его собственного финансового благополучия. В 1774 г. Грехем возвратился в Англию, где начал успешно использовать электротерапию для лечения множества болезней. Одной из его первых пациенток оказалась Кэтрин Маколей, выдающийся историк и политический активист, которая представила Грехема своим друзьям. Молодой, симпатичный и обходительный, он быстро превратился в публичную фигуру.

Окрыленный успехом, Грехем отрыл в 1779 г. Temple Esculapio Sacrum (Храм здоровья) на престижной Ройал-Аделфи-Террас с видом на Темзу. Два огромных человека в претенциозных ливреях и шляпах с золотыми галунами объявляли о грандиозном открытии, расхаживая по Лондону с рекламными листками, где превозносились достоинства электричества и его благотворное воздействие на организм человека и расписывались чудеса, к которым можно было приобщиться в Храме здоровья. Ливрейных зазывал прозвали Гогом и Магогом – в честь двух легендарных великанов-язычников, которые, по преданию, спасли Лондон и чьи огромные деревянные статуи находятся сегодня в Гилдхолле – ратуше лондонского Сити.

Храм здоровья одновременно и очаровал, и возмутил лондонское общество. Он быстро привлек богатую клиентуру, включая принца Уэльского и Джорджиану, герцогиню Девонширскую, которая жаловалась на неспособность родить сына. Заплатив за вход два шиллинга и шесть пенсов, посетители могли посетить лекции Грехема о здоровье, послушать изысканную музыку и полюбоваться роскошными интерьерами, шикарной мебелью и пикантными картинами. В числе достопримечательностей были полуобнаженные «Богини юности и здоровья», одну из которых изображала шестнадцатилетняя красавица Эмма Лайон. Она вышла замуж за сэра Уильяма Гамильтона, а впоследствии стала любовницей лорда Нельсона.

Однако главным, конечно, были эффектные электрические чудеса – «магнитные троны» и потрескивающие от искр электрические ванны. Гвоздем программы, показываемым только после перехода в новое здание на Пэлл-Мэлл, являлась электрическая изысканно декорированная «Божественная кровать», которая гарантировала исцеление от бесплодия и импотенции. Как выразился Грехем, «бесплодные определенно становятся более плодовитыми, если в них как следует подогреть восторг любви». И некоторые из этих средств подогрева были электрическими. Божественная кровать имела четыре метра в длину и три метра в ширину, опиралась на 40 изолирующих столбиков из прозрачного стекла, ее матрас был набит волосом из хвостов английских жеребцов и свежей пшеничной соломой, смешанной с мелиссой, лепестками роз и цветками лаванды. Над ней возвышался огромный балдахин, украшенный цветами, вокруг находились клетки с живыми голубями, механические музыканты и многочисленные статуи, включая статую Гименея, бога брачного союза. Новшество, однако, заключалось в том, что из факела, который держал Гименей, на изголовье кровати сыпались электрические искры, высвечивая надпись «Плодитесь, размножайтесь и наполняйте землю». Считается, что магниты, окружавшие кровать, также наполняли «воздух магнитными флюидами, которые должны давать необходимую силу и энергию нервам». Кроватью можно было воспользоваться за кругленькую сумму – £50 за ночь.

Подобно нынешним организациям, старающимся привлечь как можно больше денег, Храм здоровья имел собственный магазин. В нем продавались разные патентованные средства: «Imperial Electric Pills» для очищения крови и других соков организма; «Nervous Etherial Balsam» для поддержания сил уставшего и изношенного организма; склянки с «Electrical Ether» для защиты от любых пагубных и заразных болезней, которым, помимо прочего, приписывались магические афродизиакальные свойства. Продавались также трактаты Грехема.

Храм здоровья вызвал в обществе неоднозначную реакцию. Одни просто получали удовольствие от представления. Другие были настроены более скептически – политик Хорас Уолпол назвал его «самым беспардонным мошенничеством, которое только можно представить, а лекаря – самым бездарным представителем профессии. <…> Женщина, невидимая, играла на кларнете. Отделка милая, но эксцентричная, а фармацевт, который выходит из потайной двери (неизвестно зачем, поскольку он мог с таким же успехом подняться по лестнице), – и в самом деле находка. Электрические эксперименты, не представляющие собой ничего особенного, пневматическая машина, от которой лопаются шары, – все это складывается в фарс».

После непродолжительного периода пребывания в центре внимания Храм здоровья потерял популярность и был закрыт в 1782 г. Грехем, который потратил кучу денег на это предприятие, оказался по уши в долгах. Он бежал в Эдинбург, и со временем его поведение становилось все эксцентричнее и эксцентричнее. Он забросил электричество, уверовал в целебные свойства теплых грязевых ванн, стал вместо подписи ставить в письмах фразу «Слуга Господа, О. Д. С.» («О, дивная страсть») и как-то раз на протяжении двух недель не надевал на себя ничего, кроме набедренной повязки из травы. Грехема арестовали за непристойное поведение, и в 1794 г. он умер в возрасте 49 лет.

Продолжение

Деятельность Джеймса Грехема и других подобных ему дельцов привела к тому, что идею электротерапии стали считать шарлатанством и постепенно исключили из общепринятой медицинской практики. Электричество, впрочем, продолжали использовать в различных псевдотерапевтических устройствах. Оно также приобрело популярность в сфере развлечений. Электрические развлекательные автоматы стали обычными в викторианских парках аттракционов и на причалах: например, человек брался за рукоятки такого аппарата, через его руки проходил небольшой ток, и он чувствовал предположительно «приятное» покалывание.

Одним из самых известных производителей медицинского оборудования викторианской эпохи была фирма Isaac Louis Pulvermacher & Co, чьи патентованные электрические цепи использовались для лечения ревматизма, невралгии и аналогичных расстройств. Реклама заявляла, что философы, священники и известные медики во всех частях света рекомендуют их и что они дают немедленный и заметный эффект. Самые дешевые цепи стоили пять шиллингов, что было не такой уж маленькой суммой в то время. Электрический пояс фирмы Pulvermacher изготавливался из меди или цинка, и его нужно было погрузить в уксус перед использованием. Некоторое представление о том, на что он был похож, можно получить из описания одного из них, которым пользовался фармацевт месье Оме из «Госпожи Бовари». «Он был энтузиастом гидроэлектрических цепей фирмы Pulvermacher. Он и сам носил такую цепь, и, когда по вечерам снимал фланелевый жилет, у мадам Оме кружилась голова от вида золотой спирали, покрывавшей ее мужа. Она испытывала прилив страсти рядом с этим мужчиной, облаченным в доспехи, словно скиф, и прекрасным, как один из волхвов». Эти цепи носили не только литературные персонажи. Чарльз Диккенс в письме к актрисе г-же Бэнкрофт, которая, по всей видимости, рекомендовала ему это средство, писал: «Я сам буду в городе в четверг, и ни к чему беспокоить вас заказом магического пояса для меня. Я сошлюсь на вас при покупке и сообщу о результате после того, как попробую его. Удастся ли г-ну Пульвермахеру избавить меня от невралгии или нет, я в любом случае буду обязан ему за то, что он невольно дал мне повод вступить в переписку с вами».

Подобные электрические устройства были в ходу в викторианскую эпоху. Они служили для лечения самых разных недугов, для стимулирования мышц и для придания силы ослабевшему мужскому органу. Некоторые из них применяются и сегодня, например диатермическое устройство, которое с помощью электрического тока нагревает ткань или кровеносный сосуд до такой температуры, что кровь свертывается. В повседневной хирургической практике с его помощью прижигают раны, что быстрее и проще, чем делать перевязку, или удаляют патологические ткани, например небольшие полипы или раковые клетки. Любопытно, что модифицированные диатермические устройства применялись во время Второй мировой войны для подавления радиомаяков, использовавшихся люфтваффе для обозначения целей бомбометания на территории Англии. Эти устройства генерировали радиошум в широком диапазоне частот и глушили сигнал вражеских маяков.

Шоковая терапия

Электрические автоматы, которые давали слабый электрический разряд, постепенно превратились в приборы, вызывающие значительный электрический шок. Электросудорожная терапия (ЭСТ) стала в середине XX в. предпочтительным методом лечения людей, страдающих сильной депрессией. Ее ввел в практику итальянский врач Уго Черлетти, который искал новое средство лечения шизофрении, более эффективное и дающее меньше побочных эффектов. В то время считалось, что провоцирование приступа у пациента может облегчить его состояние. Обычно это достигалось с помощью лекарств (инсулина, например), однако Черлетти, зная, что электрический шок способен вызывать эпилептические судороги у животных, задумался над тем, нельзя ли использовать его для лечения шизофрении. Поначалу он не решался реализовать эту идею, поскольку не знал, какая «доза» электричества необходима, однако потом обнаружил, что на бойне в Риме электрическим разрядом оглушают свиней (перед тем, как перерезать им горло), и если дать животному прийти в себя, то шок, похоже, проходит без последствий. Черлетти экспериментальным путем подобрал силу тока, необходимую для временного оглушения свиньи, и в апреле 1938 г. испытал метод на человеке.

Пациентом был шизофреник, которого нашли, когда он бродил вокруг железнодорожной станции. У него наблюдался бред, галлюцинации и спутанность сознания. Его речь представляла собой нечленораздельную тарабарщину. Первый сеанс электросудорожной терапии, который проводился без анестезии, вызвал лишь малый эпилептический припадок, однако пациент неожиданно начал петь. Черлетти собрался повторить эксперимент при более высоком напряжении, однако, прежде чем он успел его провести, пациент резко сел совершенно прямо на кровати и закричал на чистом итальянском: «Non una seconda! Mortifera!» («Нет! Это убьет меня!»). Черлетти, однако, был непреклонен и провел еще ряд сеансов электросудорожной терапии. После них пациент стал спокойным, обрел способность ориентироваться и был выписан из больницы как выздоровевший. Впоследствии Черлетти и его коллеги опробовали ЭСТ на сотнях пациентов (и животных) и определили как безопасную дозу, так и расстройства, которые наиболее успешно лечатся таким образом. Метод электросудорожной терапии быстро распространился по всему миру.

При ЭСТ на голову кратковременно воздействуют электрическим током. Сила разряда достаточна для того, чтобы вызывать сильный припадок, сходный с эпилептическим. Поскольку разряд стимулирует часть мозга, контролирующую двигательные нервы, мышцы сокращаются, и конечности становятся негнущимися. Наши конечности приводятся в движение двумя группами мышц, одна из которых сокращается, а другая расслабляется, когда мы совершаем действия. ЭСТ приводит к стимулированию обеих групп мышц, которые сокращаются одновременно, заставляя конечности деревенеть и становиться негнущимися. Раньше бывали случаи, когда в результате сильных конвульсий ломались кости пациентов, однако в наши дни такого не допускают, применяя миорелаксанты и общий наркоз. Обычно пациентам назначают несколько сеансов ЭСТ с перерывом в несколько дней.

Сильвия Плат очень ярко описывает свои впечатления от электрошоковой терапии в нескольких своих произведениях, в частности в «Стеклянном колпаке» и «Повешенном»:

Пронзенная до кончиков волос какою-то сверхсилой,

Я в вольтовой дуге пеклась, как тот пророк в пустыне голой.

И темень ночи вдруг исчезла, и ей на смену вмиг пришел

Мир блеклых белых дней, залитых светом ламп, лишенных тени,

Безумная тоска, распявшая меня на древе.

Ей, определенно, не хотелось бы пройти через это еще раз ЭСТ широко применялась в 1950-х и 1960-х гг., но в наши дни, когда появились эффективные антидепрессанты, к ней стали прибегать намного реже. Национальный институт охраны здоровья и совершенствования медицинской помощи Великобритании рекомендует использовать ее только в случаях сильной депрессии, тяжелого маниакального состояния или кататонии (мышечной ригидности) и только когда другие методы оказываются неэффективными (не менее трети страдающих тяжелой депрессией нечувствительны к лекарствам). По иронии судьбы, учитывая рассказанную здесь историю об истоках этого метода, ЭСТ больше не рекомендуется для лечения шизофрении.

Хотя ЭСТ прочно вошла в медицинскую практику, эта процедура по-прежнему неоднозначна. Даст ли она реальный эффект и насколько сильным он окажется, остается спорным вопросом. В одних медицинских исследованиях приходят к выводу, что она эффективна в случаях депрессии в краткосрочной перспективе, а в других отмечают отсутствие серьезной разницы между ЭСТ и приемом плацебо через месяц после процедуры. Во многих случаях эффект является временным и слабым без сопутствующей лекарственной терапии. Кроме того, нет фактов, подтверждающих, что ЭСТ снижает уровень суицидов среди больных, страдающих депрессией. Так или иначе, но некоторые больные утверждают, что ЭСТ резко улучшила их состояние, избавила от депрессии и позволила вернуться к нормальному образу жизни, даже продолжить престижную карьеру. Это, по всей видимости, указывает на гетерогенность заболевания: клиническая депрессия вряд ли имеет одну причину.

К сожалению, у ЭСТ есть побочные эффекты. Все пациенты испытывают потерю кратковременной памяти, возможно, из-за нарушения цепей в мозге, связанных с ее хранением: на самом деле это одна из причин, по которым считают, что кратковременная память хранится в виде электрических сигналов. У сопутствующей амнезии только одно достоинство – большинство пациентов не помнят, как они проходили процедуру. Однако некоторые теряют и долговременную память. Эрнест Хемингуэй, который проходил ЭСТ в 1961 г., рассказывал своему биографу: «Какой смысл залезать в мою голову, стирать память, которая является моим капиталом, и губить меня? Исцеление было полным, но пациента потеряли».

Если даже с эффективностью ЭСТ не все понятно, то о том, как она работает, мы знаем еще меньше. Сильный разряд влияет на электрическую активность клеток мозга, заставляя их генерировать импульсы с очень высокой частотой и порождая электрическую бурю, подобную той, что наблюдается при эпилептическом припадке. Одна из идей заключается в том, что это ведет к массированному выбросу химических нейромедиаторов в нервных клетках. Поскольку от этих веществ зависит наше настроение, а их баланс при психических расстройствах, как считается, нарушен, причиной расстройства может быть повышение концентрации определенных нейромедиаторов. Однако наш мозг – тонко сбалансированный орган, и то, что нужно, так это увеличение количества правильного нейромедиатора в правильном месте в течение определенного промежутка времени, в идеале без повышения концентрации веществ с противоположными эффектами. Как осуществить такую тонкую корректировку с помощью такого грубого метода, как ЭСТ, совершенно неясно.

В прошлом в некоторых психиатрических лечебницах ЭСТ использовали, чтобы утихомиривать беспокойных пациентов. Эти злоупотребления получили широкую огласку в 1975 г. после выхода на экраны фильма «Пролетая над гнездом кукушки» (One Flew Over the Cuckoo’s Nest) с Джеком Николсоном в главной роли, снятого по одноименному роману Кена Кизи. Там Большой санитар использовал электрошоковую терапию, чтобы запугать обитателей психушки, сделать их послушными и согласными на все. Фильм произвел сенсацию и вызвал горячие дебаты в обществе по поводу использования ЭСТ. В настоящее время одним из самых неоднозначных моментов применения этого метода является вопрос о том, можно ли его использовать без согласия пациента: в разных странах на него дают разные ответы, но в Великобритании и в США на него отвечают утвердительно (хотя для этого может потребоваться судебное решение).

Смерть от электричества

Роман «Натюрморт» (Still Life) английской писательницы А. Байетт заканчивается трагически – его героиня Стефани Ортон Портер погибает от короткого замыкания в незаземленном холодильнике на кухне, когда она пытается освободить залетевшего воробья. Сама Байетт тоже чуть было не погибла от электрического тока, но ее спас подоспевший вовремя муж. Всем известно, что удар током из бытовой сети электроснабжения может быть опасным. Однако что именно приводит к гибели человека?

Чтобы человека убило электричеством, через его тело в землю должен течь ток, который может остановить сердце, парализовать дыхательные мышцы и серьезно повредить внутренние органы. Такой ток не так уж велик – всего 50 мА, именно поэтому во многих странах в домах устанавливаются автоматические предохранители, которые отключают электричество, если на землю идет опасный ток. В Великобритании, например, для срабатывания таких предохранителей достаточно, чтобы ток силой 30 мА тек в течение 30 мс. В США требования к защите еще жестче – 5 мА в течение 30 мс. Это связано с тем, что даже низкие токи могут быть очень опасными. Тока силой 15 мА достаточно, чтобы вызвать такое сильное сокращение мышц, которое не позволит оторвать руку от оголенного провода.

Поражение электрическим током случалось довольно часто, когда электричество только входило в обиход. Погибали даже опытные специалисты. Как ярко и точно написал Хилэр Беллок[40]:

Одно неосторожное движение –

И вспышка, звук короткий «Бах»!

Ужасный запах гари,

Электрик уж на небесах!

Это чуть не случилось и со мной. Как-то раз поздно вечером я подключала высоковольтный усилитель к своей экспериментальной установке. Из-за усталости мое внимание притупилось, и я случайно коснулась печатной платы. От удара постоянного тока напряжением почти 400 В я отлетела в другой конец комнаты совершенно потрясенная и напуганная, моя рука страшно болела. Но я осталась живой. Все дело в том, что убивает ток, а не напряжение, а в моем случае он был очень маленьким, несмотря на высокое напряжение. Именно поэтому электростатические машины вроде генератора Ван-де-Граафа, используемые для зрелищных демонстраций «ударов молнии» в музеях науки, напряжение в которых может достигать миллионов вольт, не убивают вас, хотя и заставляют волосы встать дыбом.

Однако амперы и вольты жестко связаны друг с другом законом Ома, который гласит, что напряжение равно силе тока, умноженной на сопротивление. Напряжение тоже опасно, поскольку оно заставляет ток течь через тело. Все зависит от сопротивления, которое он встречает: чем выше сопротивление, тем более высокое напряжение требуется для создания одного и того же тока. Наша кожа обладает определенным электрическим сопротивлением, и вы, скорее всего, ничего не почувствуете при приложении напряжения ниже 30 В. Но если кожа влажная, то ее сопротивление падает, и порог поражения электрическим током снижается. Таким образом, потенциально опасны и напряжение, и ток, результат зависит от силы и продолжительности воздействия тока, а также от сопротивления кожи.

Война токов

Поражение электрическим током не всегда бывает случайным. Электричество используется в некоторых странах для приведения в исполнение смертных приговоров. У электрического стула очень непростая история, связанная с властью, коррупцией и желанием облегчить страдания, к тому же она имела прямое отношение к принятию решения о том, какой ток, переменный или постоянный, использовать в сетях электроснабжения.

В электрических схемах ток определяется как поток электронов, текущих через проводник, например провод. Если ток течет только в одном направлении, то его называют постоянным, а если направление циклически изменяется, то такой ток называют переменным. Аккумуляторы и гальванические элементы дают постоянный ток, а в сети электроснабжения течет переменный ток. Причиной, по которой в сетях электроснабжения используется переменный ток, является простота повышения и понижения напряжения с помощью трансформатора. Это позволяет передавать электроэнергию при очень высоком напряжении (сотни и тысячи вольт) по воздушным линиям электропередачи и понижать его до нормального бытового уровня, когда электроэнергия поступает в дома. С преобразование постоянного тока дело обстоит сложнее, и из-за этого, среди прочего, переменный ток победил в «войне токов» и получил распространение в мире. В европейских странах переменный ток изменяет направление 50 раз в секунду, а в США – 60 раз в секунду. Напряжение в сетях электропитания тоже разное – 110/120 В в США и 240 В в Европе. Причины таких различий в основном исторические.

За электрификацию Нью-Йорка в конце 1880-х гг. боролись с одной стороны Томас Эдисон, а с другой – Джордж Вестингауз и Никола Тесла. Эдисон настаивал на использовании постоянного тока, и Electric Light Company, в которую было вложено его состояние, вырабатывала постоянный ток напряжением 110 В. К сожалению, передача электроэнергии при напряжении 110 В оказалась крайне неэффективной – напряжение падало настолько быстро, что потребители должны были находиться не далее двух километров от электростанции. Таким образом, для освещения всего Нью-Йорка требовалось много электростанций. Увеличение сечения медных проводов позволяло повысить ток, но стоило это очень дорого. Альтернативой было повышение напряжения, но здесь возникали технические сложности, поскольку простого способа снижения высокого напряжения в системе постоянного тока не существовало. Из-за этого нужно было строить разные линии электроснабжения для оборудования, работающего при разном напряжении. Только представьте, что ваша стиральная машина, электрочайник и компьютер требуют отдельных линий электроснабжения, и вы поймете, как это неудобно.

Тесла был уверен, что система переменного тока намного лучше, и разработал средства генерирования и передачи переменного тока, которые приобрела компания Вестингауза. Преимущество этой системы заключалось в том, что в магистральную линию поступал ток при очень высоком напряжении и электроэнергия могла передаваться на значительные расстояния без больших потерь. Напряжение затем понижалось до менее опасного уровня перед подачей в дома. Таким образом, требовалось намного меньше электростанций и всего одна линия электропередачи для каждого дома, поскольку с помощью трансформаторов напряжение можно было снижать до любого уровня.

Преимущества системы Тесла/Вестингауза быстро стали очевидными. Эдисон возражал, что переменный ток очень опасен, и устроил целый ряд публичных умерщвлений в подтверждение своих слов. Перед большими группами репортеров бездомную кошку или щенка ставили на лист жести и подключали переменный ток с напряжением 1000 В – результаты были предсказуемыми. Один раз чуть не пострадал даже палач – ударом тока его отбросило в сторону, и он «изогнулся так, словно через него протянули огромный рашпиль». В стремлении добиться еще большего общественного резонанса Эдисон организовал казнь слонихи Топси. Но, на его взгляд, в целях пропаганды лучше всего подошел бы человек.

Старина Спарки

[41]

Шестого августа 1890 г. в нью-йоркской тюрьме состоялась казнь на электрическом стуле убийцы Уильяма Кеммлера. Электрический стул использовался для приведения в исполнение смертного приговора впервые, и первый блин, как водится, вышел комом. Первый разряд оказался слишком слабым и не привел к остановке дыхания, поэтому ток пришлось включать повторно. Как написала газета The New York Times, «это было ужасное зрелище… намного хуже, чем повешение… настолько страшное, что его невозможно описать словами».

Все началось с того, что власти штата Нью-Йорк решили найти способ приведения в исполнение смертных приговоров, который был бы более гуманным, чем повешение. Один из членов комиссии, созданной для решения этого вопроса, д-р Альфред Саутвик вспомнил, что на его глазах один пьяница мгновенно и, похоже, безболезненно умер, случайно коснувшись оголенного провода. Комиссия сделала вывод о том, что казнь с помощью электричества может быть искомым решением, и 1 января 1889 г. в штате был принят закон, разрешавший использовать «электрический стул» для умерщвления осужденных преступников. Оставалась, правда, небольшая загвоздка – электрического стула еще не существовало.

Закон штата не определил, какой ток следует использовать, переменный или постоянный, и оставил право решить этот вопрос за комитетом. Эдисон развернул активную кампанию за применение переменного тока, полагая, что публика после этого не захочет допускать переменный ток в свои дома. Он нанял Гарольда Брауна и д-ра Фреда Петерсона для разработки электрического стула, а также для демонстрации публичных опытов с умерщвлением собак, телят и лошади с помощью переменного тока, которые получили большой общественный резонанс. Петерсон входил в состав правительственного комитета, который должен был выбрать наилучший способ казни с помощью электрического тока, поэтому не стоит удивляться тому, что именно переменный ток в конечном итоге был выбран для электрического стула и получил клеймо слишком опасного для бытового использования.

Эдисону и Брауну пришлось обходными путями добывать генератор переменного тока, поскольку компания Вестингауза отказалась продать его тюрьме. Вестингауз, видя угрозу своим деловым интересам, активно возражал против казни на электрическом стуле, утверждал, что это жестокое и бесчеловечное наказание, и оплатил подачу Кеммлером протеста против способа приведения приговора в исполнение. Эдисона вызвали в качестве эксперта для дачи показаний в суде штата. Протест Кеммлера был отклонен, и его казнили на электрическом стуле. Ток, однако, оказался недостаточным, чтобы мгновенно убить Кеммлера, и он попросту изжарился. Его смерть была намного мучительнее, чем могла бы быть в случае повешения.

Действие электрического стула основано на том, что ток останавливает сердце или поджаривает мозг. Заключенного привязывают к креслу, а к его коже прикладывают электроды, смоченные электропроводным солевым раствором. Затем подают сильный электрический разряд, который приводит к мгновенной смерти мозга, и серию последующих разрядов, гарантирующих смертельное повреждение других органов. Хотя электрический стул и остается законным средством приведения в исполнение смертных приговоров в ряде штатов США, к нему редко прибегают в наши дни. Смертные приговоры в основном приводят в исполнение с помощью смертельной инъекции.

Эдисон, возможно, и был великим изобретателем и превосходным бизнесменом, но его нельзя назвать человеком без недостатков. Защита электрического стула – не самый красивый факт в его биографии. По иронии судьбы он как-то похвалился, что «никогда не изобретал орудия убийства» и что поддерживает отказ от применения насилия в отношении животных. Также кажется странным, что Эдисона почитают как человека, давшего нам общедоступные электрическое освещение и электроэнергию, учитывая, что в конечном итоге победила система переменного тока. Отдавая честь Эдисону как национальному герою, после его похорон президент Гувер потребовал, чтобы все североамериканцы на минуту выключили электрический свет. В отличие от Эдисона, Тесла, который фактически является изобретателем национальной системы электроснабжения, остается во многом забытым гением.

Оглушающее оружие

Многие, думается, не отказались бы от оружия, которое может временно вывести человека из строя, мгновенно остановить его, не причиняя боли или долговременного вреда. Знаменитые фазеры с «оглушающим» режимом, которые фигурируют в киноэпопее «Звездный путь», – один из множества примеров такого выдуманного оружия.

Новейшим реальным электрошоковым пистолетом является тазер. Он стимулирует нервы с такой интенсивностью, что мышцы неконтролируемо сокращаются, и человек падает обычно через две-три секунды. Тазер выстреливает два небольших электрода, которые связаны с пистолетом длинными тонкими проводами. Электроды пробивают одежду, впиваются в кожу и передают электрический ток от пистолета к телу человека. Разряд заставляет мышцы сокращаться, обездвиживая человека до тех пор, пока течет ток. Он также причиняет боль, поскольку ток стимулирует болевые нервные волокна. На самом деле трудно сказать, можно ли вообще создать устройство, которое стимулирует двигательные нервы и обездвиживает и при этом не воздействует на чувствительные нервы и не вызывает боли. Начальник полиции Большого Манчестера после того, как он разрешил испытать тазер на себе в попытке убедить британское правительство в необходимости вооружения полицейских таким пистолетом, сказал: «Я не мог двинуться, боль была отчаянной. Мне не хотелось бы попробовать его на себе еще раз».

Тазеры теперь широко используются полицией для усмирения слишком буйных людей и тех, от кого ожидают активного противодействия. Их применение не совсем однозначно, поскольку известны случаи смерти людей в результате электрошока. Возможно, это объясняется более высокой восприимчивостью к воздействию электрического тока, более низким естественным сопротивлением кожи или тем, что кожа была мокрой.

Эмоции и их проявления

Как известно, когда человек сильно взволнован, его бросает в жар и в пот, а ладони становятся влажными. У некоторых даже появляется на лбу испарина. Все это происходит потому, что мозг отвечает на стресс повышением активности потовых желез в коже. Соленая жидкость, которую они выделяют, снижает сопротивление кожи, и это можно легко обнаружить путем наблюдения за тем, насколько легко небольшой электрический ток – настолько небольшой, что человек даже не чувствует его, – проходит через кожу. Сопротивление кожи очень сильно зависит от эмоционального состояния, включая страх, гнев и стресс, и, таким образом, по его изменению можно судить об изменении эмоционального состояния человека. Психоаналитики Карл Юнг и Вильгельм Райх, например, использовали его для оценки эмоционального состояния пациентов.

Измерение сопротивления кожи также лежит в основе действия полиграфа, или детектора лжи, логика которого строится на том, что мы, говоря неправду, начинаем нервничать. Эта система, как и следует ожидать, не лишена недостатков просто потому, что нормальные люди нервничают, когда проходят тест, а закоренелым лгунам все нипочем.

Любопытно, что Церковь сайентологии использует аналогичную технологию в своих «Е-метрах» – устройствах, которые, как утверждается, измеряют «электрические характеристики статического поля, окружающего тело» и определяют психическое состояние субъекта. «Е-метр» стал предметом серьезного расследования, проведенного Администрацией по контролю за продуктами питания и лекарствами США в 1963 г., в связи с опасениями, что Церковь сайентологии занимается лечебной практикой без лицензии, и с тем, что прибору приписывается несуществующая способность излечивать различные физические и психические заболевания. После продолжительного разбирательства, включая судебный процесс, апелляцию и повторный судебный процесс, было вынесено заключение о том, что «Е-метр» можно использовать только для религиозных отправлений и что на нем должна быть надпись, предупреждающая о недопустимости его использования для диагностики, лечения или профилактики каких-либо заболеваний. Это неудивительно, ведь «Е-метр» представляет собой всего лишь прибор для измерения электрического сопротивления кожи.

Контроль сознания

Электрические устройства могут использоваться не только для лишения жизни, обездвиживания, пыток и принуждения, они могут применяться и во благо. Иногда, как, например, в случае электросудорожной терапии, их воздействие на человека неоднозначно. Однако электрическая аппаратура постоянно совершенствуется. Если понять характер электрической активности клетки или ткани, то можно обеспечить искусственное стимулирование, которое в точности повторит нормальный импульс и будет способно заменить или скорректировать дефектный сигнал. Кардиостимуляторы позволили тысячам людей вести нормальный образ жизни, а имплантируемые дефибрилляторы помогли еще сотням людей.

Дистанционный контроль мозга человека, возможность заставлять его вести себя определенным образом – все это из области ночных кошмаров, ну и, может быть, мечтаний Пентагона. Тем не менее нет ничего невозможного в контроле поведения другого существа путем стимулирования нужных частей мозга. Хосе Мануэль Родригес Дельгадо[42] был настолько уверен в этой идее, что в 1963 г. вышел на арене для корриды в Кордове навстречу разъяренному быку. Когда бык приблизился к нему, Дельгадо не отступил, а спокойно нажал на кнопку пульта дистанционного управления, который послал сигнал в приемник, связанный с имплантированным в мозг животного электродом. Электрическое стимулирование хвостатого ядра заставило быка остановиться: он застыл всего в паре метров от ученого.

Аналогичным образом стимулирование мозга плодовой мушки электрическим током или путем фотоактивирования светочувствительных ионных каналов может влиять на ее поведение: как было показано в главе 11, это может заставить самку вести себя как самец. Прямое стимулирование электричеством мозга человека способно давать не менее сильные эффекты. Хирурги при удалении опухолей мозга или ткани, инициирующей эпилептические припадки, иногда используют слабый ток, чтобы проверить, не является ли ткань, которую предстоит удалить, жизненно важной для больного. Такое стимулирование может вызывать воспоминания, ощущения и даже чувство наслаждения или страха. Ток правильной силы, приложенный к правильному участку, может оказывать сильное лечебное действие. В некоторых случаях эффект настолько благоприятен, что электроды навсегда оставляют вживленными в мозг больного.

Болезнь Паркинсона – тяжелая патология, при которой у больных развиваются тремор, ригидность мышц и затруднения при ходьбе и речи. Тремор бывает настолько сильным, что у некоторых руки ходят ходуном. Глубокое стимулирование мозга широко применяется в настоящее время для снятия тремора, который не устраняется лекарствами. Электрическому стимулированию подвергают определенные группы нервных клеток, находящихся в глубине мозга, обычно в области так называемого субталамического ядра, которое участвует в управлении двигательной активностью. Используемое для этого устройство сходно по принципу действия с кардиостимулятором. В мозг больного имплантируют электроды, которые соединяют с помощью изолированных проводов с небольшим прибором, находящимся вне головы. В черепе просверливают маленькое отверстие, и через него в мозг вводят электрод. Операция проводится под местной анестезией, и пациент во время нее находится в сознании. Он активно помогает хирургу определить, правильно ли размещен электрод, сообщая о своих ощущениях при включении стимулятора и воздействии электрических импульсов на мозг. После установки электрода в нужное положение, стимулятор размером со спичечную коробку зашивают под кожу в районе ключицы. Стимулятор подает в мозг импульсы обычно с частотой 150 раз в секунду.

Глубокое стимулирование мозга подавляет активность субталамического ядра. Почему именно это происходит, остается спорным вопросом. По одной из гипотез стимулируются тормозящие нейроны, которые выключают чрезмерно активные нервные клетки, по другой – прерываются патологические ритмы мозга. Так или иначе, метод работает и очень эффективно. Больные с неконтролируемой дрожью всего тела приходят в норму сразу же, как только включается устройство. Майкл Холман, журналист из газеты Financial Times, описывает это так: «Проще ничего и быть не могло. Врач, обследовавший меня, нажал на кнопку и отключил работавший от батарейки стимулятор, который был имплантирован в мою грудную клетку. За считаные секунды тремор возобновился и стал усиливаться. Через пару минут меня безнадежно трясло. Еще одно прикосновение к кнопке, и тремора как ни бывало».

Искусственное ухо

Электроэнергия уже многие годы используется для питания слуховых аппаратов, которые представляют собой простые усилители, повышающие громкость звука. Однако если чувствительные клетки уха человека повреждены, то он все равно не слышит, каким бы громким ни был звук. Нормальные волосковые клетки в улитке внутреннего уха воспринимают звуковые сигналы и преобразуют их в электрические импульсы, которые поступают в мозг по слуховому нерву. Если у глухого человека сохранилась хотя бы часть слухового нерва, то можно, минуя поврежденные волосковые клетки, стимулировать этот нерв напрямую. Именно это и делают кохлеарные имплантаты.

На сегодняшний день они имеют как внутренние, так и внешние компоненты, первые имплантируют под кожу головы, а вторые носят за ухом. Внешнее устройство размером примерно с небольшой слуховой аппарат состоит из микрофона, речевого процессора и передатчика. Микрофон воспринимает окружающие звуки и преобразует их в электрические сигналы, речевой процессор отделяет фоновый шум, а передатчик посылает сигналы в приемник, установленный недалеко от него, но внутри тела. Приемник передает электрические сигналы к группе крошечных электродов, которые идут вдоль различных участков слухового нерва. Электроды вводят в одну из заполненных жидкостью камер улитки хирургическим путем так, чтобы они располагались достаточно близко к волокнам слухового нерва и обеспечивали их внешнее стимулирование.

Волосковые клетки улитки распределены вдоль нее в соответствии с тонами (частотами), к которым они чувствительны. Те, что реагируют на высокие звуки, находятся в одном конце, а те, что реагируют на низкие звуки, – на другом, во многом подобно клавишам рояля. Мозг различает высоту тона потому, что разные ветви слухового нерва связаны с волосковыми клетками, реагирующими на разные частоты. Если какую-либо ветвь нерва стимулировать искусственно, то мозг будет воспринимать сигнал как ноту определенной высоты. Количество электродов в кохлеарных имплантатах бывает разным, в современных устройствах оно колеблется от 16 до 24. Чем их больше, тем шире диапазон частот, которые человек может слышать. Именно поэтому существующие устройства не могут соперничать с настоящим ухом, которое имеет более 3000 внутренних волосковых клеток и позволяет нам слушать музыкальные композиции.

В настоящее время кохлеарные имплантаты вживляют только совершенно глухим людям, у которых повреждены волосковые клетки. Наилучший результат они дают у взрослых, потерявших слух, и у маленьких детей, родившихся глухими. Существует критический период, когда человек обретает способность говорить, и очень важно, чтобы дети получали кохлеарные имплантаты именно в это время – обычно в возрасте от двух до шести лет. Использование таких имплантатов пока еще очень молодое направление, и существующие устройства не могут восстановить нормальный слух в полной мере: британский политик Джек Эшли как-то заметил, что они звучат словно «хриплый далек[43] с ларингитом». Требуется время и тренировка, чтобы научиться понимать звуки, которые становятся слышными с помощью такого устройства. Особенно трудно воспринимать тональные языки вроде китайского, где важно различать тон. Тем не менее многие люди, которые когда-то были совершенно глухими, теперь могут слышать и даже пользоваться телефоном. Понимание речи на фоне шума, например в заполненном ресторане или баре, остается, однако, проблематичным.

Кохлеарные имплантаты помогают только в том случае, если сохранились хотя бы некоторые волокна слухового нерва, что бывает не всегда у совершенно глухих людей. Чтобы преодолеть эту проблему, были сконструированы электроды для имплантации непосредственно в слуховые центры головного мозга. Хотя это работает еще хуже, чем кохлеарные имплантаты, само направление перспективно и дает совершенно глухим людям надежду обрести хотя бы грубое восприятие звуков. Правда, не все глухие проявляют интерес к таким устройствам. Они смотрят на свой недостаток как на данность и предпочитают полагаться на язык жестов, позволяющий им легко общаться друг с другом.

Искусственная рука

Каждое утро Кристиан Кандлбауэр встает, завтракает, забирается в автомобиль и едет на работу. Вроде бы ничего необычного, если бы не одно обстоятельство – Кристиан лишился обеих рук в 17 лет во время несчастного случая. Теперь у него два протеза: один обычный, а другой управляемый мозгом. Нерв, который когда-то управлял потерянными руками, хирургическим путем вывели в грудную клетку, а его разные ветви имплантировали в разные группы мышц. Со временем новые нервные окончания срослись с грудными мышцами так, что теперь, когда Кристиан хочет пошевелить рукой, мозг посылает сигнал в нерв, который возбуждает грудные мышцы. Ничтожно малые электрические импульсы в мышцах поступают в усилитель, расположенный на поверхности грудной клетки, и преобразуются в движения искусственной руки. Протезы, управляемые импульсами мозга, все еще находятся в стадии разработки, и Кристиан – один из первых, кто опробовал их.

В настоящее время большинство протезов рук с электроприводом управляются электрическими сигналами мышц культи, и человек с таким протезом должен знать, сокращение каких мышц необходимо для управления рукой, и вызывать их сокращение сознательно. Обычно такие протезы могут совершать за раз только одно движение, например разжать пальцы или повернуть кисть. Кроме того, они действуют медленно и не подходят людям, полностью потерявшим руку или ногу. Более совершенные протезы конечностей, вроде того, что у Кристиана, совершают значительно более сложные движения и управляются интуитивно – как сказал один инвалид, «я просто хочу пошевелить ладонью или предплечьем, и они начинают двигаться». Но даже эти, более сложные протезы имеют серьезный недостаток – у них нет сенсорной обратной связи, показывающей, например, какую силу надо приложить, чтобы поднять предмет. Если схватить яйцо с силой, необходимой, чтобы поднять тяжелый кувшин, оно разобьется. Бионические руки, помимо прочего, дороги и требуют регулярной замены через несколько лет в результате износа. Это означает, что нужны более совершенные протезы. Как это часто бывает с исследованиями в области медицины, стимулом становится война, и большое число молодых американцев, лишившихся конечностей во время боевых действий в Ираке и Афганистане, заставило увеличить вложения в разработку новых технологий протезирования.

Если помечтать, то хотелось бы найти способ имитирования нормальной электрической активности нервов мышц наших ног, дающий парализованным возможность ходить. Это просто сказать, но чрезвычайно трудно сделать, поскольку ходьба – очень сложная задача. Мало того, что искусственные электрические сигналы должны иметь правильный характер и правильную частоту для разных мышц, нужно еще, чтобы движения постоянно корректировались с помощью обратной связи от конечностей. Глубоко в наших мышцах находятся сенсоры, так называемые мышечные веретена, которые определяют положение конечностей и степень сокращения мышц. Информация, поступающая от них, требуется не только для того, чтобы мы правильно ходили, но и чтобы справлялись с такими трудностями, как неровности почвы или ступени. Таким образом, система обратной связи просто необходима, иначе искусственное устройство не будет посылать правильные электрические сигналы мышцам.

Назад в будущее

Использование электротерапевтической аппаратуры является сегодня обычным делом. Глубокое стимулирование мозга буквально преобразило жизнь людей, которых раньше тремор полностью выбивал из нормальной колеи, а возможность его применения для лечения тяжелой депрессии в настоящее время исследуется. Кардиостимуляторы позволили многим вернуться к обычному образу жизни. Слуховые аппараты усовершенствовались и открыли новые возможности. Протезы конечностей становятся все более сложными. Устройства, позволяющие слепым видеть, а парализованным ходить, пока еще только разрабатываются, и до массового выпуска им еще очень далеко, однако нет причин полагать, что они так никогда и не появятся.

Прогресс вряд ли остановится на этом. Функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) уже позволяет отличать ответы человека на вопросы, где требуется сказать «да» или «нет». В будущем более глубокая интерпретация томограмм мозга, возможно, позволит людям с «синдромом изоляции» общаться с другими более свободно. Можно ли будет читать чужие мысли – это другой вопрос. Современная фМРТ-аппаратура массивна, громоздка, а ее разрешение во времени ограничено, и как много можно узнать по полученным сигналам, пока что неясно. И все же не стоит забывать, что если первые электрокардиографы занимали две комнаты, то сегодня портативный ЭКГ-аппарат стал обычным.

Если кардиостимуляторы, глубокое стимулирование мозга и фМРТ удивления не вызывают, то идея подключения мозга к компьютеру ошеломляет. В некотором смысле многие из нас уже взаимодействуют с ноутбуками и смартфонами, хотя и через глаза и кончики пальцев, а не напрямую с мозгом. Но чем старше я становлюсь, тем больше меня привлекает идея прямого взаимодействия. Как здорово было бы получать доступ к собственной памяти по желанию. На эту мысль меня натолкнула встреча с бывшим учеником, который ходил ко мне на занятия 20 лет назад и чье имя я никак не могла вспомнить. Поиск информации во Всемирной паутине под действием одной лишь мысли. Пугает, впрочем, перспектива соединения мозга проводами с компьютером. Иными словами, все упирается в характер подключения. Однако при условии, что соединение будет включаться и выключаться по желанию и что любая информация, загруженная в персональный накопитель (например, в мозг), будет находиться в безопасности и под нашим собственным контролем, думается, многие из нас в конечном итоге поддадутся соблазну. Мысль все же быстрее, чем набор текста на клавиатуре или чтение.

Однако история, рассказанная Мэри Шелли, глубоко сидит в наших головах, и сначала нам надо преодолеть страх перед неизвестным, перед монстрами вроде того, что был создан Франкенштейном. Нам нужно также определить подходы к регулированию использования такой технологии, которое не позволит ущемлять права бедных. Помимо прочего, подобное радикальное видоизменение нашего мозга не должно быть внешне заметным (поскольку люди предпочитают не выделяться из толпы), а соответствующие приспособления должны легко сниматься по желанию. Мы уже привыкли к некоторым устройствам, расширяющим возможности наших органов чувств, например к микроскопам, телескопам и приборам ночного видения, но их можно оставить на столе в конце рабочего дня. Также существуют калькуляторы и компьютеры, которые очень помогают нам, а Интернет служит внешней коллективной памятью со значительно большей емкостью и скоростью поиска, чем у нашего мозга и библиотек. Да что там говорить, многие из нас уже редко находятся в режиме офлайн, и первой реакцией на ставящий в тупик вопрос является желание запросить ответ в Google. Возможно, некоторые предпочтут и дальше взаимодействовать с такими электронными помощниками через свои органы чувств – пальцы, глаза и уши, – а не путем непосредственной связи с мозгом. Однако я лично хотела бы получить устройство, которое позволяло бы без усилий сохранять и отыскивать мои личные воспоминания. Думаю, его очень оценили бы люди, страдающие от потери памяти в результате таких расстройств, как болезнь Альцгеймера.

Конечно, искусственная память, подключаемая непосредственно к мозгу, пока что всего лишь научная фантастика. Но не следует забывать, что у научной фантастики есть свойство раньше или позже превращаться в реальность. Столетие назад мало кто думал, что механической рукой можно управлять силой мысли или что разъяренного быка можно остановить сигналом, передаваемым прямо в мозг. Не исключено, что в следующие 100 лет появится и искусственная память. Наверняка сказать невозможно, но я уверена, что ключом к успеху будет глубокое понимание того, как наш организм использует электричество, как воспоминания откладываются в памяти, как они хранятся и вызываются электрическими цепями в нашем мозге.

Примечания

О теле электрическом я пою

1. Для тех, кому нужно более подробное объяснение, скажу, что это происходит следующим образом. Когда АТФ-зависимый калиевый канал открыт, ионы калия (K+) вытекают через него из клетки, и градиент концентрации калия уменьшается. Поскольку ионы K+ несут положительный заряд, их истечение смещает внутренний потенциал клетки в отрицательную сторону. Под влиянием отрицательного мембранного потенциала кальциевые каналы остаются закрытыми, и инсулин не выделяется. При повышении уровня глюкозы в плазме бета-клетка начинает более активно метаболизировать ее. Это приводит к выработке аденозинтрифосфата (АТФ), который присоединяется к АТФ-зависимому калиевому каналу и заставляет его закрыться. Как следствие, мембранный потенциал становится менее отрицательным (поскольку меньше ионов K+ уходят из клетки) и инициирует открытие кальциевых каналов. Под действием кальция, устремляющегося в клетку, везикулы с инсулином сливаются с поверхностной мембраной и выбрасывают свое содержимое в кровь.

1. Эпоха чудес

1. Приведенное здесь высказывание нередко приписывают Гальвани (см., например, книгу У. Аткинсона «Сила мысли» (Dynamic Thought), выпущенную в 1906 г.), но это неправильно. Оно не в стиле Гальвани, да и никто не насмехался над ним, когда он жил и работал. Не исключено, что автором высказывания является французский астроном Камиль Фламмарион. Именно в его книге «Неведомое» (L’inconnu et les problèmes psychiques, 1862) оно встречается впервые. Я очень признательна профессору Марко Пикколино за предоставленную информацию.

2. По приговору Зевса Прометея навечно приковали к скале, где каждый день орел выклевывал ему печень. За ночь печень Прометея восстанавливалась, поэтому его мучения не прекращались. Любопытно, что Зевс выбрал именно печень, ведь это один из тех органов, которые обладают наибольшей способностью к регенерации.

3. Анн Робер Жак Тюрго так написал про Франклина в своей знаменитой эпиграмме: «Он похитил молнию у небес и власть у тирана».

2. Молекулярные поры

1. Рибонуклеиновая кислота (РНК) и дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). ДНК является молекулярной матрицей для наших клеток, а РНК – мессенджером, т. е. переносчиком информации, хранящейся в ДНК, в клеточные «фабрики белка».

2. Род Маккиннон получил Нобелевскую премию в 2003 г. вместе с Питером Эгром, история которого рассказывается в главе 8.

3. Импульс к действию

1. Ходжкин всегда связывал свой успех с судьбой и удачей.

2. Эндрю Хаксли происходит из очень известного семейства. Он является внуком Томаса Хаксли – «бульдога Дарвина», который страстно защищал и пропагандировал теорию эволюции; его единокровными братьями были романист Олдос Хаксли и биолог Джулиан Хаксли. Ходжкин также происходит из известного семейства ученых, в котором многие были историками.

4. Не забывайте о межклеточном пространстве

1. Несмотря на чрезвычайную ядовитость, ботулотоксин легко разрушается при нагреве. Споры бактерий, однако, могут выдерживать нагревание до 100 °С в течение двух часов.

2. По иронии судьбы английское слово gift (подарок) означает в немецком языке «яд», и то, что было подарком Западу, оказалось ядом для Гитлера – изгнанные им ученые помогли союзникам победить в войне.

3. После окончания Второй мировой войны Фельдберг получил значительную сумму «в возмещение ущерба» от правительства Германии. Он использовал ее для создания фонда по укреплению взаимосвязей между немецкими и британскими учеными. Фонд ежегодно присуждает довольно большую премию, а также финансирует поездку одного британского ученого в Германию и одного немецкого ученого в Великобританию.

6. Электрические рыбы

1. Сократ сухо отвечает, что он действительно походил бы на ската, если бы ошеломлял других, но причина смятения Менона вовсе не в этом, а в том, что он запутался сам.

2. Такой была цена в Северной Каролине, США. В Великобритании угри, без сомнения, стоили бы еще дороже. Гинея составляет 21 шиллинг, т. е. один фунт и 10 пенсов в современных денежных единицах.

3. Мощность в ваттах равна напряжению в вольтах, умноженному на ток в амперах.

4. Ампула Лоренцини представляет собой небольшую капсулу, которая связана с отверстием на поверхности кожи через заполненный желеобразным веществом электропроводный канал. Рецепторные клетки находятся на стенке ампулы. Они реагируют на разность потенциалов между горловиной канала (которая соприкасается с морской водой) и внутренней полостью. Разность потенциала генерирует электрические импульсы в нервных волокнах, которые связаны с ампулой. Стоит перерезать нервы, идущие к ампуле, и акула теряет способность реагировать на слабые электрические поля. Это убедительно доказывает, что ампулы Лоренцини служат органом электрорецепции.

7. Сердечное дело

1. Это был Герберт Гладстон (сын более известного Уильяма Гладстона), занимавший пост министра внутренних дел Великобритании в 1905–1910 гг.

2. Механизм этого явления неясен.

3. Кеворкян назвал свою машину в честь Танатоса, греческого бога смерти.

8. Жизнь и смерть

1. Подавляющая часть тех 150–200 литров жидкости, которые ежедневно проходят через наши почки, поглощается в верхней части почечных канальцев через другой тип водяных каналов.

2. Капли дождя не приводят к (ложному) захлопыванию ловушки по той причине, что она реагирует только в том случае, если прикоснуться к двум волоскам последовательно друг за другом в течение 20 секунд.

9. Врата чувств

1. Олдос Хаксли взял название своей известной книги «Врата чувств» (The Doors of Perception), посвященной воспоминаниям о приеме мескалина, из поэмы Уильяма Блейка. Название популярной в 1960-х гг. музыкальной группы The Doors возникло под влиянием книги Хаксли, а значит, также восходит к поэме Блейка. Блейк, в свою очередь, позаимствовал идею у Платона, который говорил, что мы подобны пленникам подземелья, которые судят о внешнем мире лишь по теням на стене, и наше представление о реальности не более чем иллюзия.

2. Избыток витамина А очень вреден для организма. В печени некоторых полярных млекопитающих, таких как белые медведи и тюлени, концентрация витамина А достигает токсического уровня. Австралийская антарктическая экспедиция 1911–1914 гг. потеряла запасы продовольствия и одного из членов команды в расселине ледника. Двум другим членам пришлось есть собак, чтобы выжить, однако Ксавье Мерц все равно умер, возможно, от отравления витамином А, содержавшемся в печени собак.

3. Люди могут видеть даже без хрусталика, поскольку фокусирующая способность глаза зависит от него лишь на 30 %. Все остальное делает роговица. Людям без хрусталика сфокусировать свет помогают очки.

4. Позднее, правда, решили, что цветовая слепота не имела никакого отношения к аварии, а машинист просто не обратил внимания на сигнал.

5. Поскольку звук передается путем соударения молекул, образующих волны сжатия, в вакууме он не распространяется. В космосе никто не услышит вашего крика, а вы не услышите даже оглушительного взрыва.

6. Аналогичный эффект наблюдается, если крикнуть под водой – звук затухает намного быстрее, чем в воздухе.

7. Из рок-группы The Who.

8. Маринованные артишоки не дают такого эффекта.

9. Вопреки утверждениям некоторых учебников вкусовые сосочки разных типов равномерно распределены по поверхности языка.

10. Это название происходит от слова sauerstoff, означающего в немецком языке кислоту, т. е. раствор с высокой концентрацией ионов водорода.

11. Генов намного больше, но не все они продуцируют функционирующие белки.

12. Любопытно, что у людей очень похожие рецепторы реагируют на жгучие масла в васаби.

12. Шоковая терапия

1. Чтобы посмотреть видео, найдите в «Википедии» статью с ключевым словом «Топси».

2. Одну из таких машин можно было увидеть в его доме в Лондоне.

3. Открытие медицинской практики при отсутствии квалификации не было чем-то необычным в те времена.

Дополнительная литература

Ниже приведен перечень дополнительной литературы. Я включила в него только те книги и статьи, которые интересны для широкого читателя и легко доступны. Тот, кто желает узнать больше, может найти более детальную библиографию на моем веб-сайте.

Книги

Ashcroft, Frances (2000), Ion Channels and Disease, San Diego, CA: Academic Press.

Bakken, Earl (1999), One Man’s Full Life, Minneapolis, MI: Medtronic Inc.

Bryson, Bill (ed.) (2010), Seeing Further, London: Harper Press.

Darwin, Charles (1859), On the Origin of Species, London: John Murray.

Darwin, Charles (1875), Insectivorous Plants, London: John Murray.

Finger, Stanley and Marco Piccolino (2011), The Shocking History of Electric Fishes, Oxford: Oxford University Press.

Gregory, Richard (1997), Eye and Brain: The Psychology of Seeing, Oxford: Oxford University Press.

Hodgkin, Alan (1992), Chance and Design: Reminiscences of Science in Peace and War, Cambridge: Cambridge University Press.

Hofmann, Albert (1980), LSD: My Problem Child, New York: McGraw-Hill.

Holmes, Richard (2009), The Age of Wonder: How the Romantic Generation Discovered the Beauty and Terror of Science, London: Harper Press.

von Humboldt, Alexander ([1834] 1995), Personal Narrative of a Journey to the Equinoctial Regions of the New Continent, London: Penguin Books.

Huxley, Aldous (1954), The Doors of Perception, London: Chatto and Windus.

Ings, Simon (2007), The Eye: A Natural History, London: Bloomsbury Publishing.

Lane, Nick (2009), Life Ascending: The Ten Great Inventions of Evolution, London: Profile Books.

Lomas, Robert (1999), The Man who Invented the Twentieth Century, London: Headline Press.

Martin, Paul (2003), Counting Sheep, London: Flamingo.

Medawar, Jean and David Pyke (2001), Hitler’s Gift: Scientists who Fled Nazi Germany, London: Piatkus.

The Oxford Companion to the Body (2001), Colin Blakemore and Sheila Jennett (eds.), Oxford: Oxford University Press.

The Oxford Companion to the Mind (2004), Richard Gregory (ed.), 2nd edn, Oxford: Oxford University Press.

Powers, Francis Gary and Curt Gentry (1971), Operation Overflight, London: Hodder & Stoughton.

de Quincey, Thomas ([1822], 1986), Confessions of an English Opium Eater, Oxford: Oxford University Press.

Quintilian (2002), The Orator’s Education, trans. D. L. Russell, Oxford: Loeb Classical Library.

Raeburn, Paul (1995), The Last Harvest, New York: Simon and Schuster.

Rippon, Nicola (2009), The Plot to Kill Lloyd George, London: Wharncliffe Books.

Sacks, Oliver (1996), The Island of the Colour-blind. London: Picador.

Sacks, Oliver (1986) The Man Who Mistook His Wife for a Hat, London: Picador.

Shelley, Mary Wollstonecraft ([1818]), Frankenstein: or, the Modern Prometheus. Oxford: Oxford University Press.

Schmidt-Nielsen, Knut (1997), Animal Physiology, Cambridge: Cambridge University Press.

Streatfeild, Dominic (2001), Cocaine: An Unauthorized Biography, London: Virgin Publishing.

Syson, Lydia (2008), Doctor of Love: James Graham and his Celestial Bed. Richmond: Alma Books.

Wesley, John (1760), Desideratum: Or, Electricity Made Plain and Useful. By a Lover of Mankind, and of Common Sense, London: W. Flexney.

Статьи

Feldberg, W. (1977), ‘The early history of synaptic and neuromuscular transmission by acetylcholine: reminiscences of an eye-witness’, in A. L. Hodgkin et al., The Pursuit of Nature, Cambridge: Cambridge University Press.

Harlow, J. M. (1848), ‘Passage of an Iron Rod Through the Head’, Boston Medical and Surgical Journal, vol. 39, pp. 389–93.

Hodgkin, A. L. (1977), ‘Chance and design in electrophysiology: an informal account of certain experiments on nerve carried out between 1934 and 1952’, in A. L. Hodgkin et al., The Pursuit of Nature.

Horgan, J. (2005), ‘The forgotten era of brain chips’, Scientific American (October 2005).

Kalmijn, A. J. (1971), ‘The electric sense of sharks and rays’, Journal of Experimental Biology, vol. 55, 371–83.

Kellaway, P. (1946), ‘The part played by electric fish in the early history of bioelectricity and electrotherapy’, Bulletin of the History of Medicine, vol. 20, pp. 112–37.

Krider, E. P. (2006), ‘Benjamin Franklin and Lightning Rods’, Physics Today (January 2006),

Lissmann, H. W. (1951), ‘Continuous electrical signals from the tail of the fish Gymnarchus niloticus Cuv.’, Nature, vol. 167, p. 201.

Loewi, O. (1960), ‘Autobiographic sketch’, Perspectives in Biology and Medicine, vol. 4, pp. 3–25.

Miesenböck, G. (2008), ‘Neural light show: scientists use genetics to map and control brain functions’, Scientific American (September 2008).

Quinton, P. (1999), ‘Physiological basis of cystic fibrosis: a historical perspective’, Physiological Reviews, vol. 79, S3 – S22.

Благодарности

Мне бы не удалось написать эту книгу без помощи других людей. Я очень признательна многим своим коллегам за то, что они читали главы, проверяли факты и точность описания. Я благодарю Ричарда Бойда, Дэвида Клэпхема, Натана Дентона, Каролину Лахманн, Криса Миллера, Майка Сангвинетти и Вальтера Штюмера за то, что они прочитали всю книгу. За прочтение глав и частей книги я благодарю Джонатана Эшмора, Майка Беннетта, Пьетро Корси, Кита Доррингтона, Клайва Эллори, Айана Форсита, Юту Фрит, Фиону Гриббл, Эндрю Хейлстрепа, Джуди Хейни, Эдит Хаммлер, Питера Хантера, Джона Моллона, Кита Мура, Эрвина Неера, Дениса Ноубла, Дэвида Патерсона, Марко Пикколино, Энди Кинга, Джеффри Райзмана, Бернхарда Россье, Джулиана Шредера, Паоло Таммаро, Тилли Танси, Айрин Трейси, Луиз Аптон и Гари Йеллена. Я очень признательна Питеру Брауну за помощь в работе с латинскими и греческими названиями, а также за перевод некоторых первоисточников; Матильду Лафон за помощь с переводами с французского и Вивьен Райзман за современный перевод папируса Эдвина Смита. Марко Пикколини и Брайан Уорд-Перкинс предоставляли историческую информацию и консультировали меня, Эндрю Фордж предоставил рисунки волосковых клеток, а Питер Аткинс разрешил мне пользоваться его текстами о Гальвани. Брюс Баркер Бенфилд из Бодлианской библиотеки любезно предоставил мне оригинальную рукопись «Франкенштейна» Мэри Шелли и раскопал письмо Перси Биши Шелли. Я выражаю особую благодарность Питеру и Карин Хантерам, которые предоставили мне убежище в своем прекрасном доме в Новой Зеландии, во время работы над первыми двумя главами. Очень многие друзья и коллеги снабжали меня интересными историями, и я приношу извинения тем, чьи тексты не удалось включить в эту книгу. Ну а что касается ошибок и неточностей, которые остались в книге, то все они на моей совести.

В Италии ходит поговорка «Se non è vero, è ben trovato», которую можно перевести примерно так: «Даже если это и неправда, то звучит она очень хорошо». Я старалась, чтобы с научной точки зрения все было правильным, но в отношении множества приведенных в книге исторических описаний у меня нет такой уверенности. В некоторых случаях имена героев были намеренно изменены.

Я благодарю мою подругу и превосходного агента Фелисити Брайан за поддержку и непоколебимую уверенность в том, что я смогу написать еще одну книгу; моих редакторов в издательстве Penguin Хелен Конфорд и Уильяма Гудлэда за ценные отзывы, мудрые советы и терпеливое выслушивание стонов автора; Луизу Уотсон и Тертиа Софтли за техническое редактирование и Патрика Лохрана за помощь с иллюстрациями. Я в долгу перед Ронаном Махоном за прекрасные штриховые рисунки. Я благодарна моим брату и сестре за критику и советы, а также Крису Миллеру за помощь в оттачивании фраз. Но больше всего я признательна Тертиа Софтли и Айаре Кьюри, которые раскапывали туманные статьи и переворошили кучу книг в Бодлианской библиотеке, а также членам моей исследовательской группы за выдержку и терпение, когда я работала над этой книгой, вместо того чтобы заниматься их статьями и диссертациями и поиском дополнительных источников финансирования наших исследований.

Разрешения на использование текстов и иллюстраций

Письменные источники

Выдержка из письма Перси Биши Шелли к Ральфу Веджвуду (15 декабря 1810 г.), принадлежащего Юниверсити-колледжу. С разрешения главы и членов совета Юниверсити-колледжа, Оксфорд.

Выдержка из «Рассуждений» Джо Шапкотта, опубликовано в Discourses: Poems for the Royal Institution, 2002.

Выдержка из «Эй, пуля» Брайана Тернера, опубликовано в Here, Bullet. Copyright © Brian Turner, 2005. Перепечатано с разрешения The Permissions Company, Inc., от имени Alice James Books, www.alicejamesbooks.org.

Выдержка из «В самом деле? Что случилось?» Герберта Крецмера. Воспроизводится с разрешения Berlin Associates Ltd.

Выдержка из «Чувствительного места» Теда Хьюза, опубликовано в Collected Poems. Воспроизводится с разрешения Faber and Faber Ltd.

Выдержка из «Повешенного» Сильвии Плат, опубликовано в Collected Poems. Воспроизводится с разрешения Faber and Faber Ltd.

Выдержка из «Поэмы о Ньюдигейте» Хилэра Беллока. Воспроизводится с разрешения Peters Fraser and Dunlop (www.petersfraserdunlop.com) от имени Peters Fraser & Dunlop, Drury House, 34–43 Russell Street, London WC2B 5HA.

Графические источники

Рисунок Cerebelo de paloma: celulas de Purkinje y granulares Сантьяго Рамона-и-Кахаля воспроизводится с разрешения Santiago Ramon y Cajal. Cajal Legacy. Instituto Cajal (CSIC), Madrid, Spain.

Сноски

1

Это известное стихотворение Уолта Уитмена из сборника «Листья травы» (1855), послужившее также названием для рассказа Рэя Брэдбери, нескольких фильмов и музыкальных альбомов. – Прим. науч. ред.

2

Перевод С. Сухарева.

3

Американский поэт, публицист (1819–1892). – Прим. пер.

4

Древнегреческий философ и математик. – Прим. пер.

5

Страница с изображением, образующая разворот с титульной страницей книги. – Прим. пер.

6

Молния чаще всего бьет из облака в землю, но бывают и такие, которые проскакивают от облака к облаку, а иногда от земли к облаку. Со спутников видно молнии, бьющие из облаков вертикально вверх. – Прим. науч. ред.

7

Фильм «Монти Пайтон и священный грааль», Великобритания, 1975 г. – Прим. пер.

8

Возможно обратное течение. В электротехнике потенциал земли принимается за нулевую отметку, но предметы могут обладать как положительным, так и отрицательным потенциалом относительно земли в зависимости от знака их заряда. Ток может течь как в направлении заземления, так и от него. Нетрудно собрать схему с двумя заземленными проводами, батарейкой и лампочкой от фонарика. Лампочка будет гореть, показывая, что ток в цепи течет. Через один провод он течет в землю, через другой из земли. – Прим. науч. ред.

9

Этого не достаточно, надо еще, чтобы обувь не была хорошим изолятором. Если бы пятый в цепи надел резиновые сапоги, то шестой ощутил бы удар тока. – Прим. науч. ред.

10

Закон Ома не универсален и выполняется не всегда. Однако он справедлив для тока, текущего по многим веществам, в частности, тем, из которых состоит тело живых существ. – Прим. науч. ред.

11

Причины связаны с историей познания электрических процессов. Понятие положительного и отрицательного заряда ввел Франклин в XVIII в., причем знаки зарядов он выбрал случайно. Электрон был открыт Дж. Томсоном в 1897 г., т. е. более века спустя. Менять привычные обозначения и переписывать учебники из-за его отрицательного заряда не стали, решили просто предупреждать учащихся о том, что в действительности электроны текут в направлении, противоположном направлению, принятого для тока. – Прим. науч. ред.

12

Английское слово cells имеет два значения – клетки и кельи. – Прим. пер.

13

Примо Леви – итальянский поэт, прозаик, эссеист и переводчик. – Прим. пер.

14

Из-за очень малого заряда электронов поток в миллион ионов в секунду соответствует слабому току силой 1,6 10–13 А, т. е. 0,16 пикоампер. Это более чем в миллиард раз меньше тех миллионных долей ампера, о которых говорится выше. Ниже в тексте фигурирует ток в несколько пикоампер. При такой силе тока через все ворота в секунду проходят около десятка миллионов ионов. Это говорит о том, что автор приводит приблизительные оценки. – Прим. науч. ред.

15

Т. С. Элиот (1888–1965) – американо-английский поэт, драматург и литературный критик. – Прим. пер.

16

Одна стомиллионная часть метра это 10 нм, что все же меньше, чем 30 нм. – Прим. науч. ред.

17

Томас Хаксли (1825–1895) – английский зоолог, популяризатор науки и защитник теории Дарвина. – Прим. пер.

18

Один из эпизодов жития апостола Павла. – Прим. пер.

19

«Федон» – один из диалогов Платона. – Прим. пер.

20

Это предположение. Платон нигде не говорит, чем именно отравили Сократа, у него фигурирует лишь общий термин «яд». Гипотеза о том, что использовался болиголов пятнистый, выдвинута в 2001 г. в статье Энида Блоха из Нью-Йоркского университета в Буффало. – Прим. науч. ред.

21

Перевод М. Донского.

22

Автор цитирует фразу пирата Джона Сильвера из «Острова сокровищ» Р. Стивенсона. – Прим. науч. ред.

23

Сила тока, проходящего через тело электрического ската или угря, не может быть меньше, чем сила тока, проходящего через тело жертвы, по законам электротехники. Но у электрических рыб ток проходит в основном через электрические органы, а у жертвы – через жизненно важные органы, чувствительные к поражению током. Спрятав уязвимые органы в изолирующую оболочку, рыба защищает их от собственных электрических импульсов. – Прим. науч. ред.

24

Области одинакового потенциала называются эквипотенциальными поверхностями, они перпендикулярны силовым линиям поля. Силовые линии характеризуются тем, что направление касательной в любой их точке совпадает с направлением поля. Напряженность поля тем выше, чем гуще силовые линии. В воде ток течет вдоль силовых линий электрического поля. – Прим. науч. ред.

25

Речь идет о Нобелевской премии в области физиологии и медицины. – Прим. науч. ред.

26

Эта имплантация была произведена 8 октября 1958 г. в Стокгольме. – Прим. науч. ред.

27

Defensin (англ.), производное от defense (англ.) – защита. – Прим. пер.

28

В английском, французском и других европейских языках используется японское слово «умами», у него нет перевода. Вкус умами можно примерно описать как обволакивающий «мясной» или «бульонный». Он усиливает вкусовую привлекательность пищи и является важным компонентом вкуса сыров пармезан и рокфор, соевого соуса и жареного мяса. – Прим. науч. ред.

29

В эфирных маслах цитрусовых содержится до 90 % D-лимонена, но остальные 10 % могут существенно повлиять на запах. Любопытно, что около 5 % лимонена содержится и в запахе скипидара, который явно не спутаешь с запахом апельсина. – Прим. науч. ред.

30

Немецкая монахиня, жившая в 1098–1179 гг. – Прим. пер.

31

Вапнярка находится в Винницкой области. В октябре 1941 г. румынские оккупационные части создали там концлагерь для евреев, в основном из Одессы. – Прим. науч. ред.

32

Двойной слепой метод предполагает, что и испытуемые, и экспериментаторы не знают о важных деталях эксперимента до его окончания. Например, они не знают, принимают ли испытуемые плацебо или исследуемый препарат. Это исключает неосознанное влияние экспериментатора на испытуемого, а также субъективизм при оценке экспериментатором результатов эксперимента. – Прим. науч. ред.

33

Борьба производителей готовых супов за продвижение своей продукции на рынок. – Прим. пер.

34

В Музее эпилепсии в Корке, Германия, называют и других известных людей, страдавших эпилепсией. Кроме Достоевского, в их числе Юлий Цезарь, Флобер, кардинал Ришелье, Ван Гог, апостол Павел и Наполеон. Приступы эпилепсии, по данным музея, в определенные периоды жизни случались у лорда Байрона и Ленина. – Прим. науч. ред.

35

Перевод Г. Кружкова.

36

Этому способствовала явная подгонка статистики, например в работе Долла и Хилла 1950 г., исключение из опросника пунктов, в которых ответ не устраивал Долла, например про курение взатяжку и т. д. Их работы до сих пор приводятся статистиками как пример не совсем корректной обработки. Заметим, что основной вывод впоследствии не раз подтверждался другими исследователями. – Прим. науч. ред.

37

Аллюзия на известную песню «Love Me Do» группы The Beatles. – Прим. пер.

38

Перевод Т. Щепкиной-Куперник. – Прим. пер.

39

Фраза из монолога Гамлета. – Прим. пер.

40

Джозеф Хилэр Пьер Рене Беллок (1870–1953) – английский писатель и историк. – Прим. пер.

41

Прозвище электрического стула в некоторых штатах США. – Прим. пер.

42

Американский нейрофизиолог. – Прим. пер.

43

Киборг из британского научно-фантастического телесериала «Доктор Кто». – Прим. пер.

Комментарии

1

Для тех, кому нужно более подробное объяснение, скажу, что это происходит следующим образом. Когда АТФ-зависимый калиевый канал открыт, ионы калия (K+) вытекают через него из клетки, и градиент концентрации калия уменьшается. Поскольку ионы K+ несут положительный заряд, их истечение смещает внутренний потенциал клетки в отрицательную сторону. Под влиянием отрицательного мембранного потенциала кальциевые каналы остаются закрытыми, и инсулин не выделяется. При повышении уровня глюкозы в плазме бета-клетка начинает более активно метаболизировать ее. Это приводит к выработке аденозинтрифосфата (АТФ), который присоединяется к АТФ-зависимому калиевому каналу и заставляет его закрыться. Как следствие, мембранный потенциал становится менее отрицательным (поскольку меньше ионов K+ уходят из клетки) и инициирует открытие кальциевых каналов. Под действием кальция, устремляющегося в клетку, везикулы с инсулином сливаются с поверхностной мембраной и выбрасывают свое содержимое в кровь.

2

Приведенное здесь высказывание нередко приписывают Гальвани (см., например, книгу У. Аткинсона «Сила мысли» (Dynamic Thought), выпущенную в 1906 г.), но это неправильно. Оно не в стиле Гальвани, да и никто не насмехался над ним, когда он жил и работал. Не исключено, что автором высказывания является французский астроном Камиль Фламмарион. Именно в его книге «Неведомое» (L’inconnu et les problèmes psychiques, 1862) оно встречается впервые. Я очень признательна профессору Марко Пикколино за предоставленную информацию.

3

По приговору Зевса Прометея навечно приковали к скале, где каждый день орел выклевывал ему печень. За ночь печень Прометея восстанавливалась, поэтому его мучения не прекращались. Любопытно, что Зевс выбрал именно печень, ведь это один из тех органов, которые обладают наибольшей способностью к регенерации.

4

Анн Робер Жак Тюрго так написал про Франклина в своей знаменитой эпиграмме: «Он похитил молнию у небес и власть у тирана».

5

Рибонуклеиновая кислота (РНК) и дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). ДНК является молекулярной матрицей для наших клеток, а РНК – мессенджером, т. е. переносчиком информации, хранящейся в ДНК, в клеточные «фабрики белка».

6

Род Маккиннон получил Нобелевскую премию в 2003 г. вместе с Питером Эгром, история которого рассказывается в главе 8.

7

Ходжкин всегда связывал свой успех с судьбой и удачей.

8

Эндрю Хаксли происходит из очень известного семейства. Он является внуком Томаса Хаксли – «бульдога Дарвина», который страстно защищал и пропагандировал теорию эволюции; его единокровными братьями были романист Олдос Хаксли и биолог Джулиан Хаксли. Ходжкин также происходит из известного семейства ученых, в котором многие были историками.

9

Несмотря на чрезвычайную ядовитость, ботулотоксин легко разрушается при нагреве. Споры бактерий, однако, могут выдерживать нагревание до 100 °С в течение двух часов.

10

По иронии судьбы английское слово gift (подарок) означает в немецком языке «яд», и то, что было подарком Западу, оказалось ядом для Гитлера – изгнанные им ученые помогли союзникам победить в войне.

11

После окончания Второй мировой войны Фельдберг получил значительную сумму «в возмещение ущерба» от правительства Германии. Он использовал ее для создания фонда по укреплению взаимосвязей между немецкими и британскими учеными. Фонд ежегодно присуждает довольно большую премию, а также финансирует поездку одного британского ученого в Германию и одного немецкого ученого в Великобританию.

12

Сократ сухо отвечает, что он действительно походил бы на ската, если бы ошеломлял других, но причина смятения Менона вовсе не в этом, а в том, что он запутался сам.

13

Такой была цена в Северной Каролине, США. В Великобритании угри, без сомнения, стоили бы еще дороже. Гинея составляет 21 шиллинг, т. е. один фунт и 10 пенсов в современных денежных единицах.

14

Мощность в ваттах равна напряжению в вольтах, умноженному на ток в амперах.

15

Ампула Лоренцини представляет собой небольшую капсулу, которая связана с отверстием на поверхности кожи через заполненный желеобразным веществом электропроводный канал. Рецепторные клетки находятся на стенке ампулы. Они реагируют на разность потенциалов между горловиной канала (которая соприкасается с морской водой) и внутренней полостью. Разность потенциала генерирует электрические импульсы в нервных волокнах, которые связаны с ампулой. Стоит перерезать нервы, идущие к ампуле, и акула теряет способность реагировать на слабые электрические поля. Это убедительно доказывает, что ампулы Лоренцини служат органом электрорецепции.

16

Это был Герберт Гладстон (сын более известного Уильяма Гладстона), занимавший пост министра внутренних дел Великобритании в 1905–1910 гг.

17

Механизм этого явления неясен.

18

Кеворкян назвал свою машину в честь Танатоса, греческого бога смерти.

19

Подавляющая часть тех 150–200 литров жидкости, которые ежедневно проходят через наши почки, поглощается в верхней части почечных канальцев через другой тип водяных каналов.

20

Капли дождя не приводят к (ложному) захлопыванию ловушки по той причине, что она реагирует только в том случае, если прикоснуться к двум волоскам последовательно друг за другом в течение 20 секунд.

21

Олдос Хаксли взял название своей известной книги «Врата чувств» (The Doors of Perception), посвященной воспоминаниям о приеме мескалина, из поэмы Уильяма Блейка. Название популярной в 1960-х гг. музыкальной группы The Doors возникло под влиянием книги Хаксли, а значит, также восходит к поэме Блейка. Блейк, в свою очередь, позаимствовал идею у Платона, который говорил, что мы подобны пленникам подземелья, которые судят о внешнем мире лишь по теням на стене, и наше представление о реальности не более чем иллюзия.

22

Избыток витамина А очень вреден для организма. В печени некоторых полярных млекопитающих, таких как белые медведи и тюлени, концентрация витамина А достигает токсического уровня. Австралийская антарктическая экспедиция 1911–1914 гг. потеряла запасы продовольствия и одного из членов команды в расселине ледника. Двум другим членам пришлось есть собак, чтобы выжить, однако Ксавье Мерц все равно умер, возможно, от отравления витамином А, содержавшемся в печени собак.

23

Люди могут видеть даже без хрусталика, поскольку фокусирующая способность глаза зависит от него лишь на 30 %. Все остальное делает роговица. Людям без хрусталика сфокусировать свет помогают очки.

24

Позднее, правда, решили, что цветовая слепота не имела никакого отношения к аварии, а машинист просто не обратил внимания на сигнал.

25

Поскольку звук передается путем соударения молекул, образующих волны сжатия, в вакууме он не распространяется. В космосе никто не услышит вашего крика, а вы не услышите даже оглушительного взрыва.

26

Аналогичный эффект наблюдается, если крикнуть под водой – звук затухает намного быстрее, чем в воздухе.

27

Из рок-группы The Who.

28

Маринованные артишоки не дают такого эффекта.

29

Вопреки утверждениям некоторых учебников вкусовые сосочки разных типов равномерно распределены по поверхности языка.

30

Это название происходит от слова sauerstoff, означающего в немецком языке кислоту, т. е. раствор с высокой концентрацией ионов водорода.

31

Генов намного больше, но не все они продуцируют функционирующие белки.

32

Любопытно, что у людей очень похожие рецепторы реагируют на жгучие масла в васаби.

33

Чтобы посмотреть видео, найдите в «Википедии» статью с ключевым словом «Топси».

34

Одну из таких машин можно было увидеть в его доме в Лондоне.

35

Открытие медицинской практики при отсутствии квалификации не было чем-то необычным в те времена.

Content

Фрэнсис Эшкрофт
Искра жизни. Электричество в теле человека

Введение О теле электрическом я пою

Глава 1 Эпоха чудес

Начальные представления

Огненные шары

Удар током

Прыгающие монахи

Похищение молнии у небес

Гром среди ясного неба

Поражение молнией

Повелитель танцующих лягушек

Энергия для людей

Схватка титанов

«Безумные» ученые

Эпоха чудес

Глава 2 Молекулярные поры

Святая троица

Разные, как два полюса

Кирпичики жизни

Замечательные физиологические жидкости

Пограничный контроль

Пока не увидишь – не поверишь

Генетический инструментарий

Игольное ушко

Открытое и закрытое состояние

Глава 3 Импульс к действию

Электропроводка организма

Импульс к действию

Разговоры нервов

Судьба и удача

Укрощение аксона

Прогресс, подтвержденный расчетом

Борьба за кальмаров

Огонь!

Ужасная гадость

Красные приливы и убийственное зелье

Король ядов

Правила натриевых каналов

Глава 4 Не забывайте о межклеточном пространстве

Сон нобелевского лауреата

Подарок Гитлера

Война химического и электрического начал

Помни о зазоре

Все на местах и готовы к действию

Отравленные дротики

Нервно-паралитический газ

Смертельный калабарский боб

Верхом на молнии

Прыжок через синаптическую щель

Глава 5 Как действуют мышцы

Электропроводка наших мышц

Импрессив – троянский конь

Остолбеневший от страха

Козы показывают направление

Сопряжение «возбуждение – сокращение»

Разрази меня гром!

Глава 6 Электрические рыбы

Сногсшибательно!

Шокирующее использование мышечной энергии

Щелчок выключателем

Раз, и готово!

Почему скат не поражает током себя?

Нападение акул

Способность чувствовать электричество

Охота в потемках

Поиск пути

Разговор с помощью искр

Глава 7 Сердечное дело

Биение продолжается

Электрокардиограмма

Сердечные недуги

Восстановление ритма

Спасатели Пэкера

В ад и обратно

Электрическое сердце

Напуганные до смерти

История терфенадина

Мое сердце трепещет

Сердце мое, успокойся

Скачущее сердце

Тихий убийца

Виртуальное сердце

Глава 8 Жизнь и смерть

Сперматозоиды с турбоподзарядкой

Создание барьеров

Жизнь из смерти

Повышение давления

Соленая история

Клеточная система водоснабжения и канализации

Смертоносные орудия

Борьба с насекомыми

Самоубийство клеток

Время жить, время умирать

Погубленный урожай

Зеленое электричество

Жизнь на полосе для тихоходов

Глава 9 Врата чувств

Всевидящее око

Светочувствительность

Ночное зрение

Увидеть красное

Помутневший хрусталик

Удивительные факты, связанные с цветным зрением

Услышь меня, услышь!

Нарушение покоя

Частотная избирательность

Танцующие волосковые клетки

Песня ушей

Жизнь в царстве безмолвия

Слушай сегодня, ибо завтра будет поздно

Дело вкуса

Как мы различаем запахи

Король фруктов

Прикосновение

Некоторые любят погорячее

Эта ужасная боль

Какое облегчение

Все чувства в голове

Глава 10 Все связано

Маленькие серые клеточки

Как увидеть отдельную клетку

Как разобрать мозг на части

Внешнее стимулирование как инструмент исследования

Мозговые волны

Наблюдение за работой мозга

Как мозг видит

На что мы обращаем внимание

Дар цветного слуха

Мигрень

Баланс сил

Какое из двух зол меньше

Хорошенького понемногу

Столбенеющие от испуга

«Загадочное происшествие в Стайлзе»

Мозговой шторм

Наш мозг

Глава 11 Что есть разум

Какое наслаждение

На крючке

Люби, люби меня

Гормон (не)счастья

Искусство запоминания

Память о прошлом

Память соткана из этого

О природе поведения

«Заснуть и, может быть, увидеть сон»

Бог сновидений

Сногсшибательные капли

Кто я есть?

Глава 12 Шоковая терапия

Электричество – простое и полезное средство

Король электрических чудес

Продолжение

Шоковая терапия

Смерть от электричества

Война токов

Старина Спарки

Оглушающее оружие

Эмоции и их проявления

Контроль сознания

Искусственное ухо

Искусственная рука

Назад в будущее

Примечания

О теле электрическом я пою

1. Эпоха чудес

2. Молекулярные поры

3. Импульс к действию

4. Не забывайте о межклеточном пространстве

6. Электрические рыбы

7. Сердечное дело

8. Жизнь и смерть

9. Врата чувств

12. Шоковая терапия

Дополнительная литература

Книги

Статьи

Благодарности

Разрешения на использование текстов и иллюстраций

Сноски