Мы очень часто слышим о том, что нервная система работает благодаря генерации импульсов, которые имеют электрическую природу, но очень тяжело представить себе, как именно возникает и передается по организму электрический ток. Чтобы ответить на эти вопросы, окунемся сегодня в мир биофизики
Потенциал действия
Для того, чтобы понять, как наши клетки могут создавать электрические токи, следует определиться, что это вообще такое. Электрический ток - это направленное движение заряженных частиц. При этом роль заряженных частиц могут выполнять как электроны, так и ионы, и именно последние являются той материальной основой, которые обеспечивают биоэлектрические явления. Ионы представляют из себя атом или молекулу с лишним или, наоборот, недостающим электроном, в результате чего они становятся либо положительно (+), либо отрицательно (-) заряженными.
Вся жидкость в нашем организме неоднородна, и в ней содержится множество разнообразных компонентов, в том числе и ионы. При этом по содержанию последних жидкости могут так же отличаться, так, например, внутриклеточная жидкость, находящаяся непосредственно в клетке и ограниченная мембраной, богата калием и множеством отрицательно заряженных молекул (белки, аминокислоты, сульфаты, фосфаты и др.), внеклеточная жидкость же, находящаяся снаружи мембраны, богата положительно заряженными ионами натрия и кальция, а также отрицательно заряженными ионами хлора. Соотношение этих ионов таково, что на внешней поверхности клетки в покое образуется положительный заряд (+), а на внутренней поверхности - отрицательный (-). И именно в таком состоянии находятся наши нейроны и мышцы, когда они неактивны.
В один момент к определенной клетке поступает сигнал, который может быть как внешним, так и наружным. Первый передается с клетки на клетку благодаря особой системе межклеточных связей - синапсам. Механизм их действия тесно связан с обсуждаемой сегодня темой, но при этом очень сложен, поэтому лучше обсудить данный момент в одной из следующих статей. Внешним же стимулом может служить электрический ток (например, тот самый из розетки). В любом случае до клетки доходит определенный сигнал, который активирует в ее мембране особые белки - ионные каналы (по-другому их еще называют насосы), и главную роль в формировании нервного импульса играют натриевые каналы. В огромных количествах положительно заряженный натрий устремляется внутрь клетки через эти самые каналы, в результате чего ситуация с зарядами кардинально меняется, и наружная поверхность мембраны становится отрицательно заряженной (-), а внутренняя - положительно (+). Такое явление называется деполяризация, а сам биоэлектрический ток - потенциал действия.
Все дальше и дальше
Мы разобрались, как сформировать электрический ток (поток ионов натрия), но надо ведь его еще передать все дальше и дальше, пока он не достигнет конечной цели. Физики говорят, что каждый электрический заряд окружает некое поле, а именно электрическое поле, которое мы не можем увидеть, но вполне можем измерить, а значит и подтвердить его существование. Доверимся физикам и представим себе, что однонаправленное движение натрия в одном ионном канале сопровождается формированием этого самого поля, которое способно активировать соседние ионные каналы, где также начинается процесс формирования потенциала действия. Последний заряд вновь образует новое поле, и так далее, пока не станет активен самый последний белковый насос на поверхности клетки. Такой механизм характерен для так называемых немиелинизированных нервных волокон. Это эффективный метод передачи возбуждения, благодаря которому информация передается со скоростью около 1 м/с, но природа не была бы собой, если бы не придумала, как сделать этот процесс в разы эффективнее, при этом затрачивая намного меньше энергии.
Существуют также и миелинизированные нервные волокна. Миелин представляет собой особую оболочку нервного волокна, которая выполняет изолирующую функцию, но в определенных участках этой изоляции есть бреши, называемые перехватами Ранвье. В этих перехватах происходит тот самый механизм формирования потенциала действия, который мы описывали выше, но за счет наличия электроизолирующей оболочки не происходит активации всех соседних каналов, а лишь тех, что находятся на следующем перехвате. То есть происходит как бы скачкообразное перемещение потенциала действия. Как оказалось, такой механизм обеспечивает сумасшедшую скорость передачи нервного импульса - 120 м/с. С учетом того, что длина человеческого тела в общей популяции редко превышает двух метров, можно представить, как быстро импульс может дойти от головы до пятки. Другой вопрос, что на своем протяжении нервные волокна прерываются и передают информацию следующей клетке уже с помощью химических явлений, но, как уже говорилось выше, об этом когда-нибудь попозже.