Дорогой заинтересованный искатель, условно можно говорить, что вся жизнь клетки протекает за мембраной. Более того, получается, именно мембрана, ограничивая клеточную жизнь, делает эту клетку живой. Без мембраны никак! Ну, как правило, никак, вместе с тем, мембрана не только защищает содержимое клетки, выполняет некоторые другие функции, но и позволяет клетке быть заряженной! Отчего так? Как раз благодаря мембране на клеточном уровне поддерживается разная концентрация заряженных частиц (ионов) внутри и вне клетки. И это считается признаком жизни! Если не будет указанной разницы потенциалов, то клеточный организм признаётся мёртвым. Но что всё-таки оживляет клетку?
Мы уже высказывали утверждение о том, что нервная система находится постоянно «под напряжением» электрического поля. Иными словами, всякая живая клетка обязательно испытывает на себе определённую нагрузку, находясь в заряженном состоянии. Речь идёт о потенциале покоя. Но в случае возбуждения клетки происходит быстрое изменение электрического поля, что генерирует потенциал действия (волну возбуждения). Появляется вибрация, и это, скорее всего, связано с выведением поля из состояния покоя и нарушением его равновесия за счёт давления энергии. Что давит? Отчего возникает напряжение? Откуда «берётся» жизнь?
Несколько ранее мы рассматривали аспект напряжения с технической стороны дела, и оно (напряжение) непременно связано с электричеством. Разность потенциалов между двумя точками обычно называют напряжением между точками».[1] И вообще, «напряжение - это величина, характеризующая электрическое поле».[2] И вот, с одной стороны воздействие, но с другой - сопротивление, отсюда появляется и напряжение (разница потенциалов). То есть что-то давит, значит, воздействует на систему. Поэтому, опять-таки технически, фактор воздействия (который условно обозначим силой тока), напряжение и сопротивление - это связанные величины.
Так, что такое потенциал покоя? В целом, под потенциалом покоя подразумевается имеющаяся разность потенциалов невозбуждённой клетки (между внутренней и наружной средой). Внутри клетки отрицательный заряд, а снаружи мембраны положительный заряд. Данную ситуацию формируют анионы и катионы за счёт разницы своих концентраций. Между тем, «неравномерное расположение ионов внутри и вне клетки является, во-первых, следствием неодинаковой проницаемости клеточной мембраны для различных ионов, а во-вторых, - работы ионных насосов, транспортирующих ионы в клетку и из клетки вопреки их электрохимическим градиентам».[3] Неужели всё дело в пресловутых насосах? Но в чём заключается особенность покоя клетки?
На самом деле, за потенциалом покоя в основном (преимущественно) стоит калий, однако следует отметить следующее. «В состоянии покоя клетки устанавливается динамическое равновесие между числом выходящих из клетки и входящих в неё ионов K+.[4] Входят они и выходят неугомонные, но обеспечивают всё равно покой. Хотя концентрация ионов калия больше (в 40 раз) внутри клетки, а концентрация ионов натрия больше (в 12 раз) вне клетки. Добавим для информации, ионов хлора вне клетки также больше чем внутри клетки, где-то в 20 раз. Поставим такой вопрос: ионы перемещаются в ту и другую стороны мембраны вследствие воздействия электромагнитного поля? И что такое вообще динамическое равновесие?
Ладно, несколько затронем тему ионных насосов, которые переносят ионы через мембрану, но с затратой энергии. И если калия будет не хватать на наружной стороне мембраны, то произойдёт блокировка работы насоса. Кроме того, насосы потребляют для своего функционирования достаточно много энергии, «лишь Na/K-насосы потребляют 1/3 всей энергии, расходуемой организмом в покое».[5] Выходит, «покой нам только снится?». Но и в состоянии относительного покоя идёт трата энергии на биохимические процессы. Так, откуда энергия? Ведь постоянная разность концентраций ионов всегда поддерживается, она же обусловлена сопряжённым транспортом ионов.
Ну, вернёмся к динамическому равновесию, оно есть вариант относительного покоя? «Пока система находится в состоянии термодинамического равновесия, её элементы (например, молекулы газа) ведут себя независимо друг от друга, как бы в состоянии гипнотического сна. В силу такой независимости к образованию упорядоченных структур такие элементы неспособны. Но если эта система под воздействием энергетических взаимодействий с окружающей средой переходит в неравновесное «возбуждённое» состояние, ситуация меняется. Элементы такой системы «просыпаются от сна» и начинают действовать согласованно».[6] И во время сна протекают реакции метаболизма в организме, поэтому даже если и «снится нам покой», то он, правда, относительный.
Хорошо, мы пришли к тому, чтобы считать невозбуждённое состояние материи потенциалом покоя. Но это не значит, что всё «застыло» и перешло в состояние глобальной статики. Кстати, если равновесие может быть и статическим, то это как? «Статическое равновесие – состояние тела, находящегося в покое, или движущегося равномерно, в котором сумма сил и моментов, действующих на него, равна нулю». Как, опять покой? Ну, может быть лишь внешний механический покой, а внутри всё «бурлит»? Например, клетка обладающая потенциалом покоя, характеризуется динамическим равновесием, но «закреплена» на определённом месте. Как же всё понимать? И вот, в продолжение темы, «динамическое равновесие - стремление системы воспроизводить себя, восстанавливать утраченное равновесие, преодолевать сопротивление. Динамическое равновесие – равновесие, когда под действием сил тело не меняет своего движения». Кажется, не очень как-то оно понятно.
Давайте так, если два встречных потока сбалансированы, то, пожалуй, устанавливается динамическое равновесие, при этом тело кажется как бы неподвижным. Вообще, любое равновесие означает покой. Но мы сейчас сравниваем статику и динамику с позиции электрического поля. Так как именно поле «держит» клетку в напряжении, на наш взгляд. И что, собственно, с полем? Стоит сразу отметить, природа поля как такового - это определённое пространство. Мы подозреваем, что электромагнитное поле - это «вариант» электростатического поля. Разницу здесь ещё уясним, во всяком случае, электромагнитное поле можно рассматривать, по нашему мнению, как пространство (или среду) для взаимодействия частиц. Влиянию электромагнитного поля и подчинены «ионные взаимоотношения» клеток. Но как представим себе само поле?
Попробуем (для начала) за поле принять «кучу материальных точек», существующих одновременно в той или иной области пространства. Если уровень напряжения в каждой точке поля одинаков, то такое поле как бы находится в состоянии покоя. Обозначим ещё дополнительно, всякой материальной точке можно «приписать» какой-нибудь заряд. То есть без точки не будет, собственно, и заряда. Это мы к проблеме поля подходим. Дело в том, что в электростатике рассматриваются «неподвижные» заряды, которые находятся в покое относительно друг друга (и относительно наблюдателя). И, как известно, одни заряды притягиваются, а другие заряды отталкиваются. Поэтому режим взаимного притяжения и отталкивания демонстрирует нам взаимодействие точек. Что отметим сразу с точки зрения физики? «Электрическое поле, возбуждаемое неподвижными зарядами, называют электростатическим».[7] И оно не меняется с течением времени. Кроме того, важно уточнить для себя следующее, «электростатическое поле - это частный вид электромагнитного поля».[8] Теперь будем дальше скрупулёзно рассуждать, но какой сделаем вывод?
Выходит, потенциал покоя - признак жизни? Но он также есть демонстрация динамического равновесия, за которым, в свою очередь, стоит электромагнитное поле. Вообще, существует только электромагнитное поле вокруг живых объектов. Что это всё значит? Пока расплывчато, но предположим, если не наблюдается динамики процессов, то жизнь прекращает проявлять себя. Смерть? Отчасти где-то так, статичность можно расценивать не только как покой, неподвижность, но и как отсутствие жизни. Поэтому потенциал покоя - это динамическое равновесие, обязательное условие жизни клетки в невозбуждённом состоянии. Но мы скоро продолжим, есть ещё о чём сказать.
[1] Бутиков Е.И., Кондратьев А.С. Физика: Учеб. пособие: В 3 кн. Кн.2. Электродинамика. Оптика. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. С. 33
[2] Физика. 8 кл. : учеб. для общеобразват. учреждений / А.В. Перышкин. - М. : Дрофа, 2013. С. 113
[3] Нормальная физиология: Учебник / Н.А. Агаджанян, В.М. Смирнов. — 3-е изд., испр. и доп. — М.: ООО «Издательство «Медицинское информационное агентство», 2012. С. 44
[4] Нормальная физиология: Учебник / Н.А. Агаджанян, В.М. Смирнов. — 3-е изд., испр. и доп. — М.: ООО «Издательство «Медицинское информационное агентство», 2012. С. 46
[5] Нормальная физиология: Учебник / Н.А. Агаджанян, В.М. Смирнов. — 3-е изд., испр. и доп. — М.: ООО «Издательство «Медицинское информационное агентство», 2012. С. 48
[6] Алексеев П. В., Панин А. В. Философия: учеб. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: ТК Велби, Изд-во Проспект, 2005. С. 453
[7] Летута, С.Н. Физика. Выпуск 7. Электростатика: учебное пособие для поступающих в вуз / С.Н. Летута, А.А. Чакак; Оренбургский государственный университет – Оренбург: ОГУ, 2016. С. 23
[8] Бессонов JI. А. Теоретические основы электротехники. Электромагнитное поле: Учебник. — 10-е изд., стереотипное. — М.: Гардарики, 2003. С. 11