Текст книги "Электрическая Вселенная. Невероятная, но подлинная история электричества"

Автор книги: Дэвид Боданис

сообщить о нарушении

Текущая страница: 12 (всего у книги 17 страниц)

Иногда восстановление нервных клеток замедляется. На холоде ваши пальцы становятся словно деревянными. Это происходит потому, что жировая оболочка их нервных клеток застывает, совершенно так же, как оставшийся на тарелке жир съеденной вами бараньей котлеты. В результате натриевые насосы нервных клеток начинают работать хуже, чем они работают в тепле. Именно поэтому нам необходимо согреться перед тем, как заняться каким-либо делом, требующим изощренного управления нашими двигательными нервами. Великий пианист Глен Гульд, бывало, не находил себе перед концертом места, пока ему не удавалось отыскать раковину умывальника или просто ведро с горячей водой, в которую он мог окунуть руки. Критики посмеивались над ним – пока он не усаживался за инструмент. После того как застывшая жировая оболочка его нервных клеток размягчалась и открывался путь для насыщенных электрической энергией ионов натрия, шедевры Баха обращались в шедевры Гульда. (Аналогичным образом – только наоборот – работают и кубики льда, которые прикладывают к мочкам ушей перед тем, как их проколоть.)

Однако случаются проблемы и более серьезные, чем порывы холодного ветра. Жидкость, именуемая тетродотоксином, представляет собой один из сильнейших в мире ядов, воздействующих на нервные клетки. Омывая их, она намертво отключает натриевые насосы. Если воздействие ее ограничивается лишь немногими нервными клетками, скажем, теми, работа которых требуется нам, чтобы отыскать запропастившийся невесть куда пульт телевизора, это еще полбеды. Но когда тетродо-токсин разливается по всему нашему телу, он воздействует и на нервные клетки, которые посылают сигналы в наше сердце и легкие. Мы можем так или иначе осознавать это, можем вслушиваться в работу своего тела и искреннейшим образом желать, чтобы наши нервные клетки продолжали исправно работать, однако, когда натриевые насосы перекрываются и ионы, подпитывающие клетки, в них не попадают, электрические сигналы в клетках замирают. И все заканчивается смертью от удушья. В природе тетродотоксин вырабатывается страшной японской рыбой – фугу, однако его также синтезируют по всему миру и производители химического оружия.

Примерно так же работает алкоголь. Под его воздействием жировая оболочка мембран нервных клеток уплотняется, но не настолько, чтобы вызвать мгновенную смерть. Результат походит, скорее, на онемение замерзших пальцев, только на этот раз начинают плохо работать мембраны клеток, находящихся в глубине нашего мозга и ведающих нашими мыслями и воспоминаниями. Для тех, кто, по словам Сэмюэла Джонсона, стремится сбежать от самих себя, ослабление стенок, в которых работают питающие клетки электричеством натриевые насосы, оказывается большим утешением.

Технология всегда развивается быстрее, чем наука, и люди с удовольствием использовали алкоголь и – если им хватало ума – избегали рыб фугу за тысячи лет до того, как стали известными подробности работы натриевых насосов. То же относится и к ранним попыткам использования обезболивающих средств. Нужда в них была огромной, однако алкоголь плохо снимал боль при хирургических операциях, и даже в середине девятнадцатого века большим больницам приходилось прибегать к услугам крепких «держиморд», бывших портовых грузчиков или боксеров, работа которых состояла в том, чтобы ловить удиравших из операционной пациентов и приволакивать их обратно. (Флобер, сын хирурга, работавшего в не ведавшую анестезии эпоху, дал в «Мадам Бовари» страшноватенькое описание того, как протекала в ту пору ампутация ноги.)

В анестезиологии перемены обозначились в начале и середине 1800-х, когда выяснилось, что разного рода газообразные вещества – эфир, к примеру. – способны отключать сознание пациента, далеко не всегда при этом убивая его. Зигмунд Фрейд, бывший в 1880-х студентом-медиком, любил экспериментировать с модифицированным экстрактом растительного сока, именуемым кокаином. Кокаин превосходно помогал при глазных операциях, а также доставлял немалое удовольствие хирургам, которые проверяли на себе – и порой довольно часто – правильность выбранной ими дозы.

Однако механизм анестезии стал понятным только после работы, проделанной Ходжкиным и Хаксли. Молекулы обезболивающего вещества проникают, подобно молекулам алкоголя, в жировые мембраны наших нервных клеток и отключают натриевые насосы аксонов. После этого можно выдергивать щипцами коренные зубы или сшивать иглой живые ткани – нервные импульсы, благодаря которым мозг осознает эти надругательства над телом, продвигаются от силы на сантиметр и, поскольку натриевые насосы отключены, выдыхаются. По мере того как становились ясными все более тонкие детали их работы – и различные виды воздействия местной и общей анестезии, – все в большей степени совершенствовалась и медицина. Становились возможными такие серьезные операции, как коронарное шунтирование; появились средства, позволявшие производить лапароскопические операции. В распоряжении инженеров викторианской эпохи имелись лишь большие электрические двигатели, которые использовались ими для подъема лифтов, приведения в действие станков и насосов холодильников. Сегодняшние биоинженеры используют микроскопические электрические насосы, перекачивающие ионы натрия, для управления куда более тонкими процессами, протекающими внутри человеческого тела.

Ходжкин одурманивать своих кальмаров никогда не пытался, однако его коллеги накачивали их тетродотоксином (выглядит это некрасиво, но с учетом необходимости извлечения из тела кальмара нервных волокон возражения против такого рода манипуляций становятся спорными). Им удалось, нанося тетродотоксин непосредственно на нервные клетки и наблюдая за тем, как они отключаются, точно уловить момент, в который натриевые насосы начинают работать снова. И то, что они обнаружили, было способно повергнуть в смирение каждого, кто гордится расстоянием, на которое мы удалились от наделенных щупальцами пучеглазых морских тварей. Механизм работы этих насосов оказался у них точь-в-точь таким же, как у человека.

«Если принять во внимание, – писал Ходжкин, – что кальмар приходится нам дальним родственником – наш последний общий предок скончался… несколько сот миллионов лет назад, – это сходство поведения указывает на то, что в животном царстве натриевый канал имеет для выживания большую ценность». В этих словах присутствует немалая логика, ибо живые организмы – гуманоиды или головоногие, не важно, – лишены выбора по части материалов, с которыми им приходится работать.

Ионы – прекрасное, пусть и подобранное на скорую руку, орудие, позволяющее использовать электричество для передачи сигналов. И то, что работало за 300 миллионов лет до нашей эры, работает и сейчас.

Глава 12
Электрические настроения

Индианаполис, 1972 – и сегодня

В течение сотен миллионов лет электрически мыслящие живые существа нашей планеты ползали, бегали, спали, застывали на месте или находили себе еще какие-то занятия. И в каждом из них электрические сигналы проносились по нервным мембранным каналам, точно по самым замысловатым в мире «американским горкам», вагончики и трассы которых работают круглосуточно.

Однако каждый такой сигнал в конце концов достигает окончания нервного волокна. И тут возникает проблема, поскольку нервы вовсе не образуют гигантскую трубопроводную сеть, не подключаются один к другому. Нет, между двумя смежными нервами всегда существует хорошо исследованный еще в 1897 году зазор, именуемый синапсом(от греческого слова синаптеин, означающего «соединение», «связь»). Это всего несколько тысячных сантиметра, однако на микроскопическом уровне они выглядят океанским простором.

Каким же образом сигнал пересекает его? Ответ на этот вопрос мог стать следующим крупным шагом в изучении наших нервов и мозга. На первый взгляд электроны просто потонули бы в зазоре между нервами и даже от отдельных ионов проку было бы не больше, чем от болтающегося далеко в море мяча, которым играют в пляжный волейбол. Однако ученые понимали, что нечто все-таки дает им возможность пройти синапс. Более того, они подозревали, что это нечто имеет электрическую природу. Но если оно и не маленький электрон, и не большой ион, тогда что?

Ответ пришел от Отто Леви, сорокасемилетнего фармаколога, работавшего в университете Граца. Однажды ночью, накануне Страстной субботы 1921 года, он вдруг проснулся и совершенно отчетливо понял, как сигналы проходят синапсы. Это походило на сказку. Он включил свет, записал свое великое открытие и снова заснул. А утром проснулся. Ученым он всегда считался многообещающим, однако то, что ему приснилось тогда, представляло собой идею, равные которой появляются далеко не каждое столетие. Он взглянул на клочок бумаги, на котором ночью сделал записи.

И ничего не смог прочитать. Вообще-то говоря, почерк Огго Леви был довольно разборчивый – но только не в три часа ночи. Этот день оказался одним из худших в его жизни. Сколько ни вглядывался Леви в написанное, ему не удалось прочитать ни единого из нацарапанных на бумажке слов.

И сколько ни тужился, он так и не смог припомнить даже какого-нибудь обрывка того, что ему приснилось.

На следующую ночь, в субботу, он прилежно улегся спать. Если ему повезет, нужный ответ вернется сам собой. Наступила полночь, он мирно спал – без сновидений. Час ночи – никаких снов, способных его пробудить. А затем, как любил вспоминать Леви, «в три часа ночи идея вернулась. Ею был замысел эксперимента».

На сей раз он не стал доверять ее перу и бумаге. Вместо этого Леви оделся и поспешил в лабораторию. Он придумал способ, позволявший выявить вещество, исходящее из нерва! Он знал, что ему следует сделать, – читателям особо брезгливым этот и следующие несколько абзацев лучше пропустить: ему следует убить двух лягушек и вырезать их сердца. Одно из сердец должно сохранить идущий к нему нерв, который подводит к сердцу это неведомое вещество. Надо посмотреть, как поведет себя сердце – замедлятся его сокращения или ускорятся, – когда он выдавит из нерва побольше этого вещества. А затем он спрыснет этим веществом второе сердце. И если второе прореагирует так же, как первое, Леви будет знать, что нечто присутствующее в этой жидкости содержит правильный ответ на его вопрос.

Проделать все это Леви мог по той простой причине, что у него, как и у многих анатомов того времени, всегда имелся под рукой запас несчастных лягушек, а кроме того, он знал, что, даже если лягушку убить, сердце ее какое-то время еще будет биться. Он взял скальпель, принялся за работу, и вскоре в двух отдельных чашечках уже лежало по продолжавшему трепетать лягушачьему сердцу. Леви сдавил идущий к первому большой блуждающий нерв – чтобы в сердце поступило побольше той жидкости, которую этот нерв к нему подводит. Биения сердца начали замедляться. Тогда Леви перенес некоторое количество той же жидкости во вторую чашечку – второе сердце тоже стало биться медленнее. Жидкость, поступавшая из живого нерва, и вправду была достаточно сильна, чтобы замедлить их биения.

В дальнейшем Леви и его последователи сумели понять следующее: в жидкостях, тонкими струйками которых обмениваются нервные клетки, присутствуют относительно громоздкие молекулы. Нередко они состоят из нескольких сот атомов, и именно благодаря тому, что эти молекулы превосходят размерами легковесные ионы натрия, им и удается проделать путь от одного нерва к другому неповрежденными. Они ведут себя как миниатюрные подводные лодки. Целые флотилии таких субмарин выплывают из крошечных пузырьков, которые украшают окончание выстреливающей сигнал нервной клетки, и пересекают синапс, направляясь к своей цели. Такого рода молекулы существуют в нервных соединениях всего нашего тела, в том числе и в соединениях нервных клеток мозга. А поскольку клетки, посредством которых мы думаем, называются нейронами, молекулы, переносящие между ними сигналы, получили название нейротрансмиттеров (или нейромедиаторов).

На потолке Сикстинской капеллы Бог протягивает к Адаму руку, и Его нервные окончания источают молекулы, которые – благодаря хитроумному механизму, открывающему натриевые каналы Адама, – заставляют нервы первого человека встрепенуться от приливающего в них электричества.

Вот так сигналы и пересекают зазоры между нервными клетками. Электрические сигналы под-ходят по одной из нервных клеток к такому зазору и заставляют ее выделить ту самую могущественную жидкость, затем жидкость пересекает зазор и проникает в следующую нервную клетку, перенося в нее посланное первой клеткой сообщение.

Однако, если бы каждая наша нервная клетка выделяла только обнаруженную Леви замедляющую жидкость, мы столкнулись бы с большими неприятностями. Стоило бы нам что-то подумать или попытаться пошевелить рукой, как все начало бы замедляться, замедляяяться и замедляяяяяяяться. По счастью, в нашем теле имеются и другие жидкости-трансмиттеры. Одни ускоряют работу клеток, в которые попадают, другие просто помогают им образовывать новые соединения, – к настоящему времени таких трансмиттеров обнаружено уже несколько десятков. (Один из них, также осмысленный не без помощи Леви, был поначалу назван: Acceleransstuff– за то, что он ускорял работу клетки, в которую попадал. Теперь мы называем его адреналином.)

Каждая из нейротрансмиттерных подводных лодок обладает своей, особой формой и, отыскав пригодное для нее место стоянки, словно бы буксируется к нему. А буксиром служит то самое статическое электричество, которое в сухую погоду порой награждает нас электрическим ударом. Некоторые области трансмиттерной молекулы содержат дополнительный отрицательный заряд (поскольку там концентрируются электроны), между тем как соответствующие области целевой нервной клетки содержат избыток зарядов положительных (по причине относительного недобора электронов). Когда две эти области сближаются, все выглядит так, точно палубные матросы начинают тянуть на себя причальные концы. Две области соединяются.

Впрочем, если бы на этом все и заканчивалось, мы опять-таки столкнулись бы с неприятностями. Дело в том, что с приходом нейротрансмиттера принявшая его нервная клетка получает возможность начать пересылку сигнала, включая для этого свои натриевые насосы. Однако, если бы трансмиттер так и застрял в ней, она продолжала бы сигналить безостановочно. Сигнал, пришедший из прошлого, все повторялся бы и повторялся. И ни получить от внешнего мира новое ощущение, ни создать новую мысль вам уже не удалось бы. Бы оказались бы навсегда застрявшим в одном-единственном остановившемся мгновении.

По счастью, в зазоре между нервными клетками нашего мозга, да и во всех прочих участках тела существуют и другие молекулы – молекулы, исполняющие роль бригады демонтажников: они разваливают нейротрансмиттеры на части почти сразу после их появления. А затем, в весьма удобном для нас приступе экологической распорядительности, доставляют эти части в клетку, из которой поступил нейротрансмиггер, а там его собирают из этих частей заново и – память о прошлом путешествии из него стирается начисто – доставляют к поверхности клетки в состоянии полной готовности к новому путешествию. И весь этот процесс обеспечивается электрическими силами. Без них ничего подобного бы не происходило.

Работа Леви помогла разрешить множество загадок. Мы веками потребляем кофеин, и уже в 1600-х находились люди, которые жаловались на то, что молодые студенты чрезмерно налегают на кофе, дабы сохранять бодрость, когда им приходится перед экзаменами наверстывать упущенное. Однако как работает кофеин, никто не знал. Положение изменилось, когда возникло понимание электрических соединений на уровне поверхности клеток мозга. Один из трансмиттеров, обслуживающий клетки мозга, – вещество, именуемого аденозином. Достигая целевой клетки мозга, молекула аденозина уменьшает частоту, с которой клетка подает сигналы. Кофеин же проделывает следующее: он просто занимает места стоянок этих молекул. В результате причалить к клетке аденозину не удается. Мы можем быть совершенно измотанными, можем жаждать отдыха, но, если принимающие клетки нашего мозга спрыснуты кофеином, отчаянно извергаемые другими клетками молекулы аденозина не находят достаточного числа причальных мест, а стало быть, у них нет никакой возможности замедлить работу принимающих клеток.

За годы, прошедшие после сделанного Леви открытия, стали понятными детали все более тонкие. Некая американка по имени Нэнси Островски одно время намеревалась стать монахиней, но в 1970-х вдруг занялась научными исследованиями. Похоже, впрочем, что она перенесла некоторые нравственные законы своей прежней жизни на новую работу. В располагавшейся неподалеку от Вашингтона, округ Колумбия, лаборатории Нэнси, соорудив нечто вроде маленькой гильотины, заставляла мышей совокупляться прямо под ней, а затем обезглавливала их, еще сопряженных. И когда ей удавалось достаточно быстро препарировать мозг этих мышей, выяснялось, что клетки их мозга выделяют эндорфины. Эти природные нейротрансмитгеры схожи по форме с героином и морфием. Когда они пересекают синаптические бреши и встречаются с клетками-приемниками, млекопитающее испытывает острое наслаждение.

Сами эндорфины неустойчивы, а вот создаваемое ими общее настроение оказывается более долговечным. Одни люди похожи на Берти Вустера, персонажа П. Г. Вудхауза, неизменно бодрого и веселого. Другие, напротив, с большим удовольствием свернули бы шею каждому, кто лезет к ним с рекомендациями глядеть веселее. Чем более точным является наше знание о том, как движутся внутри мозга электрически заряженные молекулы и ионы, тем с большей легкостью мы можем вмешиваться в эти процессы и управлять нашими настроениями, а до некоторой степени и темпераментами.

Вот это и есть наиновейшее из достижений по части использования электричества в новых технологиях. Для того чтобы стали ясными последствия появления телеграфа и компьютера, потребовались десятилетия; а как повлияет на будущее открытие нейротрансмиттеров, нам еще только предстоит узнать. Серьезный шаг вперед в использовании трансмиттеров был сделан в 1970-х в Индианаполисе, в лабораториях фармацевтической компании Eli Lilly.Многие ученые уже знали, что нейротрансмиттер, именуемый серотонином, играет важную роль в формировании наших настроений. Тут присутствует много разных тонкостей, однако, если говорить грубо, люди, в мозгу которых недостает серотонина, склонны к депрессиям. Но как его контролировать? Введение в мозг сильнодействующего химического вещества, такого, скажем, как тора-зин, повышает настроение, однако торазин, увы, обладает прицельной точностью огнемета и бьет по многим другим полезным каналам мозга. В результате при использовании одного только торазина психиатрические лечебницы получали возможность освобождать своих пациентов из смирительных рубашек, но лишь потому, что об этих пациентах можно было с уверенностью сказать: они будут безучастно просиживать целые дни в шезлонгах, поскольку утратили в процессе лечения свою индивидуальность.

Исследователи же, работавшие в Eli Lilly, отыскали изобретательный, не лобовой способ повышения уровня серотонина. Они не смогли добиться того, чтобы серотонина становилось больше, зато смогли заставить ту его малость, какая уже имеется, действовать дольше. Ибо уровень серотонина определяется не только тем, какое его количество выделяют сигнализирующие нервные клетки мозга, но и тем, насколько быстро бригада демонтажников – молекул-уборщиц – пересекает зазоры между нервными клетками, чтобы разобрать серотонин на части и отволочь их назад, в передавшую сигнал клетку, дабы его там собрали заново. Если мозг человека не производит достаточно серотонина или клетки-приемщицы его работают не очень исправно, почему бы не замедлить процессы демонтажа и последующей сборки? Прозак выделяет маленькие, насыщенные электричеством молекулы, которые преграждают путь молекулам, активно участвующим в процессе демонтажа, мешая им работать в полную силу. Результат? Поскольку демонтирующие молекулы приходят в неисправность, небольшие количества естественным образом создаваемого серотонина разрушаются не так быстро, как прежде. Уровень его остается постоянным, а то и повышается.

Шотландский философ Дэвид Юм нередко задумывался о том, какие ощущения испытывает хозяин театра, когда он стоит за кулисами и наблюдает за бегающими мимо него туда-сюда персонажами пьесы. Под персонажами Юм разумел различные особенности собственной личности. Он жил примерно во времена американской революции, во времена» когда Вольта, с которого начался наш рассказ, был еще молодым человеком. А потому Юм и не догадывался, что все эти таящиеся в глубинах его сознания персонажи образуются электричеством, протекающим по длинным кабелям его нейронов, или пересекающими синапсы электрически заряженными молекулами. Думаю, однако, что Юму пришлась бы по душе мысль о том, что через два столетия после его смерти люди создадут цивилизацию, питаемую силами электричества, а под конец этого периода выяснят, что машина, которая позволяет нам видеть и понимать эту цивилизацию – наш мозг, – является в корне своем электрической.

И опять-таки главную роль в работе этой машины играет чрезвычайная малость электронов, из которых мы состоим. Электроны малы настолько, что молекулы, которые они помогают создавать, также не обладают размерами, позволяющими нам видеть их непосредственно. И это означает, что внутри нас сокрыты огромные их количества. Мозг человека весит всего лишь около полутора килограммов, однако вмещает порядка 100 миллиардов нервных клеток. Это дает нам сигнальные электрические станции, число которых близко к числу звезд в галактике, называемой Млечным Путем. Сигналы пролетают по нашим нервам со скоростью около 160 километров в час; им требуются лишь несколько тысячных секунды, чтобы пересечь синаптический зазор и продолжить движение в следующей нервной клетке. Поскольку натриевые насосы и нейротрансмиттеры срабатывают быстрее, чем падают камни и ломаются деревья в окружающем нас мире, нам удается использовать эти странные приспособления для того, чтобы уворачиваться от камней и деревьев и продолжать наш извилистый путь по белому свету.

Быстрота, с которой перемещается электричество, позволяет нам выживать, однако, если бы она была единственной его сильной стороной, мы сбивались бы с пути и не обладали бы памятью. Ибо ощущения постоянно вливаются в нас, и очень быстро, одно за другим. Массированные залпы молекул воздуха ударяют в тонкую кожицу наших барабанных перепонок, и, если обстрел достаточно интенсивен, мы слышим отчетливый звук. Наши нервы направляют информацию об этом звуке в глубины мозга, натриевые насосы подпитывают сигнал, а извергаемые клетками нейротрансмитгеры переносят его все глубже и глубже. И однако ж, если бы следующий залп поступающих из внешнего мира ощущений создавал сигналы, посылаемые по тем же нервным каналам, первый сигнал должен был бы автоматически подавляться, стираться новой конфигурацией натриевых насосов. И никакой памяти у нас в этом случае не было бы.

Однако нас спасает древняя устойчивость электрического заряда. Вспомните о подобных ауре силовых полях, которые создаются всеми заряженными частицами Земли. Они просуществовали, ожидая нас, миллиарды лет. Они очень крепки, очень стары, и, когда вся система нейронов реорганизуется, принимая в себя частную последовательность сигналов, эти мощные силовые поля позволяют сохранить ее в неприкосновенности.

Вспышки краткосрочной памяти могут угасать за секунды или минуты, однако глубинные воспоминания, которые и образуют нашу личность – те самые постоянные актеры театра Дэвида Юма, – способны просуществовать в неприкосновенности, поддерживаемые вихрями электрических сил, которые кружат в наших клетках, часы, месяцы, а то и десятки лет. Молодая женщина встречает замечательного мужчину и увлекается им. Десятилетия спустя она, старая и согбенная, окруженная внуками, слышит, как кто-то из ее детей читает вслух любовные письма этого мужчины. Поначалу слова кажутся ей чужими, едва узнаваемыми. Но вот начинают работать насыщенные электричеством натриевые насосы и нейротрансмиттеры. И женщина поднимает взгляд.

Она все вспомнила.

–

Вселенная уже очень стара, и самые первые, порожденные Большим взрывом электрические заряды давно рассеялись по ней. Многие из них погибли, пересекая галактики, однако на их месте – неизменно – возникали новые. Исключений не существовало, сумма электрических зарядов Вселенной не менялась никогда.

Над новыми, еще состоявшими из расплавленного вещества планетами поднимались зори; хитроумно скрепленные электричеством молекулы эволюционировали и воспроизводились. Скопления наделенных самосознанием нервных клеток приняли форму мыслящего мозга, а управляемые электричеством клетки глазной сетчатки стали управлять движением живых существ.

С тех пор как возникла жизнь, на протяжении миллиардов лет лишь одна величина оставалась неизменной. Все в мире – пожары, пропитанные цианидом яблоки, телеграфные сообщения – существовали лишь благодаря перемещению электрических зарядов из одного места в другое. Иногда они текли по медным проводам; иногда перемещались по нейронам любовников, студентов, пучеглазых демонов от политики; и в иные времена, в будущем, электрические и магнитные поля, созданные нашим распавшимся Солнцем, так и будут наполнять собою Вселенную, неся беззвучные сообщения к далеким звездам. Мы, хрупкие существа, живем в окружении этих бурных, величавых и могучих миграций электрического заряда.

Мы и сами-mo созданы властью электричества.

–

«Я завершу эту главу наставлений советом, обращенным ко всем молодым исследователям электричества: будьте до крайности осторожны… Сильный удар его… может подействовать на ваш разум так, что он никогда уже не станет таким, как прежде».

ДЖОЗЕФ ПРИСТЛИ

«Простое введение в изучение электричества». 1768