Электрическая вселенная. Невероятная, но подлинная история электричества - Дэвид Боданис

Решение, которое искали ученые, — объяснение того, как электричество может существовать даже в воде, — было получено, только когда они перестали думать о машинах и механизмах. Телеграф работает потому, что удается заставить электроны двигаться, но ведь электрон — это лишь часть атома. Телеграфу, электрическим лампочкам и даже компьютеру приходится полагаться на эти крошечные, податливые электроны. Однако нашим электрическим технологиям всего лишь двести лет от роду. А эволюция шла на Земле миллиарды лет и давным-давно отыскала другой способ проводить электричество, используя для этого не просто крошечные электроны, но целые атомы.

Фокус состоял в том, чтобы найти атомы, содержащие больший обыкновенного запас электрической силы. Таких, как учат нас в школе, вообще говоря, не бывает, поскольку отрицательный заряд вращающихся вокруг ядра атома электронов равен положительному заряду этого ядра. В результате атом пребывает в состоянии равновесия. Именно по этой причине он нейтрален, и по ней же даже великий Ньютон склонялся к мнению о том, что атомы суть всего-навсего скучные, простенькие шарики.

И тем не менее у некоторых атомов, таких как атомы металлического натрия, оторвать один, самый далекий от ядра электрон оказывается очень легко. В нашей планете и наших телах подобных калек полным-полно. И это очень удобно, поскольку такие оборванные гиганты отличнейшим образом приводят в движение другие электрические заряды. Положительный заряд, сосредоточенный в центре этого атома, на единицу больше отрицательного заряда оставшихся у него электронов, и потому атом создает сильное положительное электрическое поле. А кроме того, такая глыба, как атом натрия, лишившийся одного из своих электронов, способна выживать там, где крошечным электронам долго протянуть не удается. Ему нипочем пенящаяся вода или активный кислород; подобные ему атомные ионы способны проводить миллионы лет в атмосфере с ее ветрами, дождями и грозами или покоиться в горах, под километровыми наслоениями камня.

Одиночные электроны не способны прожить долгое время в омываемом влагой живом теле, а эти гиганты чувствуют себя в нем превосходно. Любой атом, обладающий отличным от изначального числом электронов, называется ионом — от греческого слова, означающего «путешественник». Ободранный атом натрия именуется ионом натрия.

Это и составляет причину, по которой наши тела проводят измеренные Гельмгольцем токи. Но как? Нервные волокна намного меньше, чем полагали ранние анатомы; полые белые трубки, обнаруженные прозекторами эпохи Возрождения, были на самом-то деле «трубопроводами» настоящих нервных волокон, куда более тонких, чем они сами, миниатюризированных почти до невидимости. Самой узкой частью их является аксон, вытянутая составляющая нервной клетки, служащая для передачи сигнала. Аксоны малы настолько, что внутренность большинства из них трудно разглядеть даже в современный микроскоп.

На счастье науки, разные нервные волокна передают сигналы с разными скоростями. Если нервное волокно очень тонко, сигнал проходит по нему довольно медленно. Чем шире нервное волокно, тем быстрее осуществляется передача. Это означает, что физиологам двадцатого века, желавшим продолжить исследования, начатые немецкими учеными, следовало отыскать существа, которым для того, чтобы совершать нападения и спасаться бегством, требуются сверхбыстрые нервные сигналы, и, стало быть, нервные волокна их должны быть широкими и толстыми. Кроме того, существа эти должны иметь достаточную длину, поскольку длинные нервные волокна препарируются легче. Логика простая, пока не вдумаешься, что из нее следует, а следует из нее, что нужно искать животное и большое, и быстрое. Лягушка маловата, медведь слишком неповоротлив, зато гигантский кальмар — или, за неимением такового, кальмар обыкновенный, — которому для его стремительных реактивных бросков требуются быстрые сигналы, был бы идеальным.

Но разумеется, сначала требовалось кальмара добыть. А это, как выяснил спокойный молодой английский квакер Алан Ходжкин, вернувшийся летом 1939 года в Плимут после стажировки в Соединенных Штатах, дело отнюдь не простое. Он выходил в море на траулерах, обшаривал рыбные рынки, однако отыскать кальмара так и не смог. В своих веселых письмах к матери Ходжкин изображал бодрячка, однако, приуныв окончательно, не смог удержаться от жалобы на «почти полное отсутствие кальмаров». И все же в конце июня удача ему улыбнулась. Уезжая на недельный отпуск к Шотландию, он попросил местных рыбаков продолжить охоту на кальмаров, и те добились успеха. «Вернувшись, я обнаружил ожидавший меня большой запас кальмаров».

Нервные волокна, которые Ходжкин и его еще даже более молодой коллега Хаксли извлекли из кальмара, превосходили размерами все, что могли дать животные более заурядные. Они были такими большими — шириной в карандашную линию, — что молодым ученым удавалось вводить в середину каждого тонкую стеклянную иглу. (Кальмар был мертв, однако нервные волокна его оставались «живыми» — в том смысле, что несколько часов они продолжали работать даже без своего хозяина.) Исследователи девятнадцатого века могли проводить измерения лишь по длине нерва, не имея возможности заглянуть внутрь него. Ходжкин и Хаксли могли теперь измерять электрические потенциалы внутри нервных волокон и сравнивать их с наружными.

Начальные их эксперименты оказались неудачными, поскольку полая игла царапала мембрану. Однако у Хаксли были хорошие руки, и со временем он научился с помощью миниатюрных зеркал, позволявших увидеть приближающие изгибы, вводить иглы, не повреждая хрупкий, еще живой нерв.

Уже в первые несколько недель Ходжкину и Хаксли удалось, используя изощренные методы нейрофизиологов, выдавить из аксона находящуюся внутри него кашицу — аксоплазму. Оказалось, что огромных ионов натрия в ней совсем немного, и это представлялось молодым ученым загадочным, поскольку в морской воде и в крови ионов натрия предостаточно — в конце концов, натрий входит в состав обычной поваренной соли (хлористого натрия). Соленый вкус морской воды либо крови — кальмара или человека, не важно, — как раз и свидетельствует о присутствии в ней этих ионов. Что-то входящее в состав мембраны захватывало ионы натрия, эти огромные модифицированные атомы, и проталкивало их сквозь мембрану, отчего они накапливались снаружи нерва.

Это было прекрасно — возможность детально разглядеть то, о чем немецкие исследователи 1860-х только догадывались. Кальмар создавал запасы ионов натрия на поверхности мембраны своих нервных клеток. Но почему? Кое-какие догадки на этот счет у молодых ученых имелись — как-никак они изучали физиологию в Кембридже, где работали лучшие специалисты мира, — однако, прежде чем они смогли пойти дальше, разразилась война. Ходжкину пришлось работать над радаром, Хаксли оказался в Адмиралтействе, и вернуться к полноценным исследованиям им удалось лишь в 1947 году. Молодая жена Ходжкина, Марни, писала своим родителям: «Алан… похож на неожиданно получившего свободу дельфина… спустя столь долгое время он снова смог нырнуть в чистую науку и теперь скачет и кувыркается в ней…»

Необходимость прервать исследования была, разумеется, неприятной, однако годы, потраченные на разработку радара, прошли не впустую. Ходжкин и его коллеги военного времени постоянно использовали давно уже сложившиеся представления о том, что электрический ток с большей легкостью протекает по пути широкому и гладкому. На таком пути больше доступных электронов, и, стало быть, «сопротивление» его невелико. А вот по узкому пути электрическому току продвигаться труднее, так как он встречается с большим сопротивлением. Поскольку нервные волокна в массе своей очень тонки (не считая огромных нервных волокон кальмара), они оказывают значительное сопротивление пытающемуся протиснуться сквозь них электричеству. Как объяснял впоследствии Ходжкин, «приглядевшись к нервной системе, инженер-электрик увидит, что перенос сигнальной электрической информации по [узким] нервным волокнам составляет проблему попросту пугающую… [Нервное] волокно мало настолько, что… электрическое сопротивление одного его метра примерно равно сопротивлению 10 000 000 000 миль [более толстого] медного провода, а это близко к расстоянию, которое отделяет Землю от Сатурна.