Придумано несколько конкретных моделей, которые объясняют, как электроэнергия преобразуется в механическое вращение жгутика. Показано, что МП, при котором работает мотор, порядка 200 мВ, что мощность мотора примерно 10~17 Вт, что через жгутик входит внутрь бактерии примерно 1000 протонов в секунду. Изменение направления вращения жгутика пытаются объяснить поворотом угла «лопастей турбины». Однако подлинный механизм работы этого мотора пока не выяснен.
Мы видели, что МП может быть использован клетками в самых разных целях: в митохондриях, хлоропластах, бактериях - для синтеза АТФ; бактериями - для вращения жгутиков; в самых разных клетках - для транспорта веществ, например, у животных - для транспорта Сахаров, в митохондриях для поглощения Са++, у бактерий для поглощения К+ и т.д.; при «коротком замыкании» для выработки тепла. Все эти факты привели Скулачева в 1975 г. к следующему обобщению: в энергетике клеток есть два универсальных носителя, а не один, как думали раньше, - это АТФ и МП. А тем самым ясно, что МП необходим каждой клетке, а не только нервному волокну.
Как правило, клетки используют в качестве источника энергии МП, создаваемый выкачиванием ионов водорода. Однако мы уже видели, что это не принципиально. Отравленная бактерия начинала плыть и в том случае, когда МП создавался К+. В связи с этим у Скулачева возникла идея, что любой МП - это клеточный резерв энергии, который она в случае надобности может использовать, В очень яркой форме выражается запас энергии у бактерий - обитателей соленой воды, которые накачивают внутрь много К+. На свету они за счет бактериородопсина вырабатывают АТФ и поддерживают МП. Но если их поместить в темноту и в среду без кислорода, то они быстро переставали двигаться в среде, содержащей много KCl, - нет источников энергии. Но если их помещали в раствор с NaCl, то за счет возникающего МП их движение поддерживалось в течение 9 часов. Таким образом, уже бактерии имеют аккумулятор электроэнергии, который они заряжают либо от солнечных батарей, либо от «тепловых электростанций».
Но и это еще не все. Существует особая замечательная группа бактерий - цианобактерии. Это древнейшие обитатели Земли, обладающие рядом особенностей. Они способны к фотосинтезу, могут сами усваивать атмосферный азот и т.д. Среди цианобактерии есть многоклеточные существа, похожие на дождевого червя, у которого каждый членик - отдельная клетка. Эти клетки имеют немного разные функции и соединены межклеточными отверстиями. Сходство с червем усиливается тем, что такие бактерии умеют ползать. Они обладают положительным фототаксисом, т.е. ползут к свету. Сопротивление мембраны у них, так же как у большинства других бактерий и у митохондрий, очень велико, а длина - всего несколько миллиметров.
Работами В.П. Скулачева, Л.М. Чайлахяна и их сотрудников было показано, что цианобактерии умеют передавать электроэнергию на расстояние. Это было показано так. Было показано, что и эти бактерии могут ползти без АТФ за счет энергии МП. Затем бактерии были помещены в такие условия, что источником потенциала был только свет. В темноте бактерии не ползли, а при освещении нескольких клеток на одном конце двигатели начинали работать вдоль всей длины бактерии. При этом была зарегистрирована разность потенциалов во внеклеточной среде между «головой» и «хвостом» бактерии. Читатель может сказать, что мы уже говорили о передаче электрической энергии в нервном волокне. Конечно, передача нервного импульса связана с энергетическими процессами. Но смысл импульса - это передача информации. Через химический синапс к нейрону энергия не передается, передается сигнал, который включает собственные источники энергии клетки-получателя. Совсем другое дело - цианобактерии. У них передается от освещенного места к электромоторам других клеток именно электроэнергия, так же, как она передав ^я от электростанции по проводам к моторам электричек или пылесосов. Так что бактерии умеют вырабатывать, передавать и запасать электроэнергию.
Квартирант превращается в электростанцию
В этом параграфе не случайно оказались под одной крышей митохондрии, хлоропласты и бактерии. Многие из биологов считают, что все они - близкие родственники, что когда-то на заре жизни, когда на Земле только-только появилось достаточное количество кислорода, бактерии, умеющие его использовать, вступили в симбиоз с амебоподобными клетками и поселились внутри них. Эти бактерии вырабатывали АТФ и снабжали им клетку-хозяина, которая заботилась о доставке пищи и защите своих квартирантов. Согласно этой гипотезе точно так же из фотосинтезирующих бактерий возникли хлоропласты.
Эта гипотеза насчитывает около 100 лет существования. Опа забывалась, возрождалась, осмеивалась и возрождалась вновь. В 20-х годах пользовалась поддержкой ряда русских ботаников, возможно, потому, что прежде всего на ботаников произвело особенно сильное впечатление открытие, что лишайники - это симбиоз гриба и водоросли. Новую жизнь этой гипотезе дала современная, в частности молекулярная, биология.
Оказалось, что, например, у митохондрий, как и у бактерий, имеются две мембраны. Наружная имеет довольно крупные поры. Но у бактерий эта наружная стенка прочная, так как она должна защищать клетку от возможности осмотического разрушения, а у митохондрии она потеряла механическую прочность, так как клетка-хозяин заботится о поддержании постоянных осмотических условий. Митохондрии имеют внутри себя ДНК, которая, как и у бактерий, имеет кольцевую форму. Есть внутри митохондрий и свои фабрики белка - рибосомы. Оказалось, что эти рибосомы похожи на бактериальные, а не на рибосомы клеток-хозяев. Например, антибиотики стрептомицин и тетрациклин останавливают работу рибосом бактерий и митохондрий, но не влияют на рибосомы хозяина, а вот циклогексимид - наоборот. Митохондрии способны к размножению внутри клетки. Можно привести и другие аргументы в пользу этой гипотезы, но это увело бы нас в сторону от нашей основной темы.
Практически все животные, растения и грибы, которые дышат, имеют очень сходные митохондрии. А исключение только подтверждает правило. Например, существуют амебы, не содержащие митохондрий, 8 ато в них живут бактерии-симбионты, выполняющие те же функции. Согласно крайней точке зрения, клетки высших организмов - весьма сборные образования: электростанции для дыхания и фотосинтеза они получили от бактерий, а органы движения - от симбиотических спирохет,
Электричество и условные рефлексы
Все со школы знают о замечательных работах И.П. Павлова по выработке рефлексов у животных. Если собаке подают звуковой сигнал, а потом дают пищу и повторяют это сочетание несколько раз, то у нее начинает выделяться слюна в ответ на звуковой сигнал, хотя до выработки условного рефлекса звук такой реакции не вызывал. Естественно было поставить вопрос; что произошло внутри мозга при выработке условного рефлекса? Каким образом сигнал стал попадать от слуховых рецепторов к слюнной железе, к которой он сначала не проходил? К сожалению, вместо ответа биологи могли предложить в основном образные выражения, говоря, что в мозгу «проторяются новые пути» или «замыкаются новые связи». Лишь в последние годы появились экспериментальные факты, приближающие нас к ответу на эти вопросы.
Изучение механизмов условных рефлексов ведется на самых разных животных, в том числе и на таких, у которых немного нейронов. Мы расскажем про результаты, полученные на морском брюхоногом моллюске Хермиссенде. Эти моллюски днем двигаются в сторону света, как говорят, обладают положительным фототаксисом, т.е. попросту всплывают в верхние слои воды, где собирается их пища. Но при сильном волнении моря моллюск уходит от света, т.е. опускается на дно. В лаборатории у моллюска вырабатывали условный рефлекс: сначала давали свет, а потом трясли моллюска или вращали на специальной центрифуге. После некоторого числа сочетаний моллюск полз к свету гораздо медленнее, чем до обучения, или переставал ползти к свету. Этот условный рефлекс обладал всеми признаками рефлекса, вырабатываемого у собак и других животных: он не вырабатывался, если свет и вращение подавали в случайном порядке; затухал через несколько недель; если начинали подавать только свет без вращения, то затухал быстрее и т.д.
В выработке этого рефлекса принимают участие фоторецепторы, которых у моллюска всего 5 в одном глазке, вестибулярные рецепторы, реагирующие на вращение, мотонейроны, управляющие движением животного и несколько промежуточных нейронов, связывающих эти клетки между собой. Была выяснена схема связей этих клеток и предпринята попытка установить, в каком месте этой схемы возникают изменения при обучении моллюска, какие нейроны или какие синапсы меняются, иными словами, в чем же заключается «проторение путей».
Сначала посмотрим, как реализуется положительный фототаксис. Две фоторецепторные клетки типа А возбуждают интернейрон, он возбуждает МН, который, в свою очередь, возбуждает мышцы, обеспечивающие движение. Что же происходит в результате обучения? Результат длительных исследований оказался совершенно неожиданным. У моллюска выработка условного рефлекса оказалась связанной с изменением свойств фоторецепторных клеток, а не интернейронов или синапсов, как предполагали исследователи.
Кроме двух фоторецепторных клеток типа А у моллюска есть еще 3 фоторецептора типа В; эти разные группы фоторецепторов тормозят друг друга. До обучения клетки А сильнее тормозят клетки В и поэтому могут вызвать положительный фототаксис. После обучения клетки В начинают реагировать на свет сильнее, теперь уже они «побеждают» и затормаживают клетки А, снижая скорость движения к свету. Значит, в клетках Вх на которые действовали и светг и сигнал от вестибулярного аппарата, что-то произошло. Оказалось, что в клетках В произошло снижение порога. Дальше выяснялось, какой фактор способствует снижению порога: действие химического вещества, выделяемого вестибулярными нейронами, или создаваемая этим веществом деполяризация. Для этого попытались выработать условный рефлекс, сочетая свет и деполяризацию фоторецептора типа В через микроэлектрод. Оказалось, что рефлекс вырабатывается. Это значит, что под действием света и деполяризации как-то меняются свойства мембраны фоторецепторов типа В, так что их порог снижается.
Что же происходит с мембраной? Оказалось, что у фоторецепторов типа В после обучения не только снижались пороги, но и появлялось еще одно свойство: после выключения света деполяризация сохранялась в течение нескольких минут. Это наводило на мысль, что у таких клеток калий слабо выходит из клеток и поэтому потенциал не возвращается сразу к нормальному уровню. Может быть, у таких клеток стаповится меньше К-каналов, а может быть, они начинают хуже работать. Во время дальнейшей работы были выяснены биохимические механизмы, которые приводят к изменению свойств К-каналов.
Итак, оказалось, что по крайней мере у улиток условный рефлекс вырабатывается в результате изменения электрических свойств мембран фоторецепторных клеток в результате снижения эффективности работы их калиевых каналов. На другом виде улиток было показано, что и другой рефлекс - втягивание дыхательного сифона при раздражении тела улитки - связан с таким же механизмом.
Однако не следует думать, что выработка любого условного рефлекса связана с изменением электрических свойств клеточных мембран. Сейчас изучены случаи, когда выработка рефлекса обусловлена другим механизмом - изменением эффективности работы синапса, т.е. действительно «проторением пути».
Никто необъятного объять не может
Мы рассказали вам о многих функциях электричества в живых организмах. Но не думайте, что обо всех. Например, мы не смогли рассказать вам об электрических процессах в растениях). А ведь в растениях тоже распространяются потенциалы действия, под влиянием которых опускает свои листочки в ответ на прикосновение стыдливая мимоза или захлопывает свою ловушку насекомоядная мухоловка.
Очень хотелось бы рассказать о биологических часах. Ведь очень многие растения и животные «знают» время суток. Мы носим свои часы на руке или в кармане, а вот многие ракообразные и моллюски прячут свои часы в гораздо более надежном месте: внутри собственного глаза. Сейчас показано, что эти часы - электрические. С помощью искусственного электрического импульса эти часы можно «перевести», переставив их стрелки со «дня» на «вечер». А если изменить ионный состав среды, окружающей клетки, которые образуют часы, то можно, например, заставить часы отставать. Внимательный читатель не удивится, узнав, что часы образованы группой клеток, связанных электрическими синапсами, - ведь и тут для точного хода часов необходимо бороться с шумами.
Интересно было бы рассказать и о перестройке структуры кости при изменении нагрузки. Оказывается, под действием нагрузки в кости возникают электрические поля и в зависимости от направления их силовых линий клетки, создающие кость, перестраивают внутренние костные балки так, чтобы они лучше сопротивлялись действию нагрузки).
Но где-то необходимо остановиться. Давайте же кончим нашу историю на том, с чего мы ее начали. Электрофизиология как наука началась с изучения тока повреждения нервов. Можно было бы думать, что ток повреждения давно сыграл свою роль и ушел в историю. Но… ведь нервы порой действительно повреждаются! Что же с ними тогда происходит?
Мы знаем, что ток повреждения быстро убывает, это объясняется тем, что на месте повреждения нерва формируется новая мембрана. Однако оказалось, что в дальнейшем этот ток уже не убывает и в регенерирующем нерве неделями сохраняет свою величину. В 1947 г. американский биолог Доренто де Но высказал гипотезу, что этот ток играет какую-то роль в процессе роста и регенерации, например, переносит в кончик растущего нерва какие-то важные внутриклеточные частицы. Но если ток повреждения ускоряет заживление нерва, то, может быть, можно дополнительно ускорить этот процесс, пропуская через ткань слабый постоянный ток в нужном направлении? И вот начались опыты по ускорению отращивания ног у таракана, а потом - и по ускорению заживления ран у млекопитающих. Появился ряд обнадеживающих результатов. Но если ток влияет на рост, то нельзя ли с помощью него ускорить развитие эмбрионов животных?
Но тут мы вынуждены повторить слова Кристофера Робина: «Экспедиция закончена».
Дальше, дальше, дальше!
Книги выходят медленно. С тех пор, как мы написали «Экспедиция окончена», прошел год и в биологии появилось множество интересных новинок, о которых хочется рассказать. Стоит, вероятно, отметить, что большинство из них появилось в электробиологии там, где она соприкасается с молекулярной биологией. Трудно выбрать из этих новинок самую интересную. Можно было бы рассказать о том, почему корень растения растет вниз; оказывается, это тоже связано с электробиологией. Можно было бы рассказать о работе обонятельных рецепторов: оказалось, что пахучие вещества запускают в них такие же цепочки химических реакций, как свет в фоторецепторах. Но мы решили рассказать о работах из области иммунологии, которая на первый взгляд уж никак не связана с электробиологией.
Еще в 1882 г. И.И. Мечников открыл явление фагоцитоза и разработал клеточную теорию иммунитета. За прошедшее столетие иммунология превратилась в отдельную биологическую дисциплину, в одну из «точек роста» современной биологии. Иммунологи показали, что лимфоциты умеют уничтожать и чужие клетки, попавшие в организм, и некоторые собственные клетки, изменившие свои свойства, например раковые клетки или клетки, пораженные вирусами. Но еще совсем недавно не было известно, как именно лимфоциты это делают. В последнее время это выяснилось.
Уже довольно давно было известно, что для уничтожения своей жертвы лимфоцит должен вступить с ней в непосредственный контакт. Если ввести в это время в клетку-жертву микроэлектрод и регистрировать ее МП, то можно обнаружить, что через короткое время после нападения лимфоцита МП жертвы резко убывает. Оказывается, лимфоцит проделывает в мембране своей жертвы отверстия, устраивая, так сказать, короткое замыкание. Через эти отверстия из клетки выходит калий, а внутрь нее входят ионы натрия и кальция. Напрасно тратят энергию ионные насосы жертвы - МП не повышается и пораженная клетка через несколько минут погибает.
Но каким способом лимфоцит делает отверстия в мембране атакованной им клетки? Ведь отверстие, сделанное, например, микроэлектродом, вовсе не приводит к гибели клетки: после вынимания микроэлектрода «рана» в мембране быстро затягивается. Оказалось, что лимфоцит при контакте с жертвой выбрасывает из особых пузырьков молекулы специального белка. Эти молекулы встраиваются в мембрану жертвы и из нескольких таких молекул-субъединиц возникает трубка, продырявливающая мембрану. Белок, образующий такую трубку, назвали перфоршюм. Возникающий в мембране перфориновый канал похож на канал, создаваемый коннектином. Но коннексоны обладают «крышками» и открываются только при «стыковке» двух клеток, связывая их между собой, а порфириновые каналы никаких крышек не имеют и постоянно находятся в открытом состоянии. Клетка-мишень не может просто затянуть мембраной дырки, образованные трубками перфорина, а на более радикальные меры у нее нет времени.
Но почему во время нападения не погибает сам лимфоцит? Казалось бы, перфорин, выброшенный в щель между двумя клетками, должен встроиться не только в мембрану жертвы, но в собственную мембрану лимфоцита со всеми вытекающими из этого последствиями. Действительно, молекулы перфорина встраиваются в мембрану лимфоцита, но не убивают его. Дело в том, что у лимфоцита в мембране имеется «противоядие» - белок, который связывает отдельные субъединицы перфорина и не дает им образовать канал.
Можно было бы думать, что такая сложная система нападения и самозащиты существует только у специализированных клеток многоклеточного организма - лимфоцитов. Однако оказалось, что это не так. Тот же способ нападения на чужие клетки выработали некоторые бактерии, простейшие и грибы. Например, этот способ используют во время охоты некоторые амебы. Правда, амебы или грибы вырабатывают белки, отличающиеся от перфорина, но точно с таким же механизмом действия.
На этот раз наше путешествие в мир электробиологии завершается окончательно. Но пока эта книга попадет к вам в руки, будут сделаны новые открытия и обнаружены новые загадки. Экспедиция продолжается!
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5
