Электричество — широкое и универсальное понятие. Мы употребляем его, когда говорим и о взаимодействии заряженных частиц в физике, и о человеческих отношениях — «между ними пробежало электричество». Откуда же оно возникает в человеческом теле? Такой вопрос нам задал подписчик, а отвечает на него научный консультант Политехнического музея Анастасия Решетняк.
Как возникает ток?
Откуда в живом организме берутся заряженные частицы, или ионы? Ионы — естественная форма существования многих веществ в водном растворе. Можно сказать, что за электричество в нашем теле отвечает вода. Молекула воды полярна: кислород в ней оттянул на себя часть электронов и стал частично отрицательно заряжен, а водороды — наоборот. Это свойство делает воду хорошим растворителем. Бросьте соль в воду, и вода разберёт её на ионы натрия и хлора, которые будут заряжены.
В стакане с растворённой солью ионы распределены равномерно по всему объёму: это следствие энтропии. Если разделить ионы натрия и хлора по разным краям стакана и отпустить — они поплывут оттуда, где их много, туда, где их нет, потому что диффузия и энтропия вынуждают их находиться в постоянном движении, а притяжение (разность потенциалов) заставит их двигаться навстречу друг другу. Возникнет электрический ток: направленное движение заряженных частиц.
Заглянем внутрь наших клеток
Примерно так и происходит в живой клетке, только создавать электрические токи будут ионы металлов натрия и калия. Клеткам нужно поддерживать постоянство внутренней среды, а она отличается от внеклеточной, в том числе и в распределении ионов. Снаружи много натрия, внутри много калия: есть гипотеза, что первые клетки появились в среде, богатой калием, который попал в небольшие водоёмы из окружающих горных пород, и внутренность клетки такой и осталась. А первые многоклеточные развились в морской среде, где больше натрия: поэтому среда между клетками должна быть им богата, чтобы организм работал правильно.
Если есть разница в концентрациях и зарядах, то её можно использовать для полезных нужд, как мы используем разницу высот в гидроэлектростанции, чтобы вертеть турбины. Похожим образом устроена и батарейка: разность потенциалов обеспечивает ток зарядов, совершающих полезную работу. В числе применений мембранной «батарейки», например, синтез АТФ (молекулы, которая обеспечивает клеточные процессы энергией) и распространение электрического сигнала в нервных и мышечных клетках.
Как электрический сигнал распространяется в клетке?
Для этого нужны:
- Мембрана, которая отделяет внутреннюю часть клетки от наружной. Без мембраны ионы моментально смешались бы.
- Белковые «воротца» — каналы в мембране, через которые проходят ионы. У каждого вида канала есть правила, когда нужно открываться и кого пропускать. Без каналов не было бы возможности провести ток сквозь мембрану, а значит, и совершить полезное действие.
- Белки-насосы в мембране. Именно они создают разницу в ионах. Белки-насосы тратят энергию и переносят ионы через мембрану оттуда, где их меньше, туда, где их больше, сопротивляясь энтропии. Они как будто закачивают метафорическую воду наверх, чтобы в нужный момент можно было спустить её «вниз». Откуда энергия на эту армию насосов? Она стоит дорого: половина нашей пищи и треть кислорода идут на обслуживание этих каналов. Особенно много их в нейронах, поэтому мозг — затратная штука.
Работа белков-насосов, которые постоянно тратят АТФ, выбрасывая наружу три иона натрия и закачивая внутрь два иона калия, и некоторых постоянно открытых каналов создают на мембране не только разницу в концентрациях ионов, когда снаружи больше натрия, а внутри — калия, но и разность потенциалов, когда снаружи больше положительных зарядов, чем внутри. Эта разница называется потенциалом покоя.
Некоторые события могут локально снизить разность потенциалов: например, если молекула нейромедиатора «воткнулась» в натриевый канал и открыла его. Если изменения достигли критической величины, то открываются «шлюзы», и натрий потоком течёт внутрь клетки, а калий — наружу, так что происходит кратковременная смена заряда на мембране. Этот ток активирует соседние «шлюзы», и они тоже открываются. По клетке прокатывается волна реполяризации — потенциал действия. Так сигнал распространяется вдоль клетки.
Получается, что нервный импульс — это не движение электронов по проводнику, как в проводах, а множество маленьких токов, пробивающих изолятор — мембрану, и эти токи активируют следующие пробои в соседних областях.
Так как натрий-калиевые белки-насосы хорошо поработали, то эта чехарда не привела к сильным изменениям концентрации натрия и калия, а значит, нервный импульс может повторяться снова и снова.
Подписывайтесь на наш телеграм-канал — там больше интересного.
