Металлический проводник и нерв

Конструкторское бюро природы неплохо поработало, создавая для нашей планеты миллионы живых существ, постоянно их переделывая и совершенствуя. За это время было сделано немало замечательных находок и изобретений. Какой бы новый принцип в управлении, в локации, ориентации в пространстве ни был предложен учеными, впоследствии всегда оказывается, что природа уже давным-давно его использует. Пожалуй, только с колесом природа оплошала. Колесо – единственное, что человек придумал сам.

Поэтому у нас издавна повелось сравнивать хитроумные творения природы с более простыми и более понятными выдумками человеческого гения. Такие сопоставления помогают ученым более наглядно представить многие сложнейшие явления. Хорошо известно, что танцевать легче всего от печки.

Не удивительно, что еще в прошлом веке, когда наука о мозге, главным образом о его строении, значительно продвинулась вперед, заметили аналогию между центральной нервной системой и телефонной сетью большого города. Действительно, известное сходство есть. В телефонную станцию – мозг с периферии, то есть со всех концов тела, бежит по нервам, как по проводам, беспрерывный поток информации. В глубинах мозга нужная информация отбирается, сортируется и направляется в строго определенные отделы, которые обмениваются между собой впечатлениями, обсуждают полученную информацию. После непродолжительных взаимных консультаций принимается решение, и вот уже по нервам на периферию к мышцам, железам, ко всем органам несутся приказы.

Сходство усиливается тем, что и по телефонным проводам и по нервам бежит электричество. В этом убедился еще Гальвани. С тех пор десятки тысяч опытов подтвердили, что раздражение любых органов чувств кодируется в электрические импульсы и в таком виде попадает в мозг. Да и в мозгу вся информация, циркулирующая между различными его отделами, передается в виде электрических импульсов.

Если бы работой такой телефонной сети заинтересовался инженер, его больше всего удивило бы, что электрические импульсы распространяются страшно медленно: в нервной сети млекопитающих всего со скоростью 0,5–100 метров в секунду.

Напомним, что электрический ток является упорядоченным движением электронов. И хотя сами электроны движутся со скоростью порядка одного миллиметра в секунду, электромагнитное поле, которое вызывает их движение, распространяется почти со скоростью света. Поэтому если в Москве на электрический кабель подать напряжение, на другом его конце во Владивостоке, за 10 тысяч километров от Москвы, электроны придут в движение уже через 1/30 секунды.

Еще больше изумился бы инженер, замерив сопротивление отдельных нервных волокон, составляющих нервный ствол. Оно очень велико. Один метр нервного волокна имеет такое же сопротивление, как 16 миллиардов километров обычного медного провода. Поразмыслив, инженер сделал бы вывод, что в такой телефонной сети сообщения могут передаваться только в том случае, если ее линии передачи оснащены усилительными подстанциями.

Такое утверждение недалеко от истины. Действительно, возбуждение распространяется не за счет энергии рецептора или нервного центра, а за счет энергии, вырабатываемой нервом.

Волокна, из которых складываются нервы, являются отростками нервных клеток. Диаметр их, равный 0,1–10 микрон, ничтожен в сравнении с длиной. В нервной сети млекопитающих встречается два вида нервных волокон: тонкие – голые, одетые лишь тончайшей, невидимой в оптический микроскоп оболочкой, и мякотные, покрытые толстой миелиновой оболочкой.

Целесообразность оболочки не вызывает сомнения, она является изолятором, отделяющим друг от друга волокна, тесно упакованные в нервном стволе. Миелиновая оболочка предотвращает переход возбуждения с одного волокна на другое и возникновение в связи с этим невообразимой путаницы. Единственно, чего не понимали ученые, почему верхняя изолирующая оболочка не сплошная, как рубашка у любого кабеля, а состоит из отдельных фрагментов около миллиметра длиной. Между ними есть небольшие промежутки, так называемые перехваты Ранвье, в которых нервное волокно остается оголенным.

Собственная тонкая оболочка нервного волокна избирательно проницаема для одних веществ и не пропускает другие. Через нее свободно проходят катионы калия и водорода, но она служит непреодолимой преградой для более крупных катионов, например катиона натрия, а кроме того, не пропускает анионы. (Как известно, катионы несут положительный заряд, анионы, наоборот, заряжены отрицательно.)

Обычно концентрация ионов по обе стороны оболочки не одинакова: ионов натрия и хлора внутри волокна в 10 раз меньше, чем в тканевых жидкостях, зато ионов калия в 20 раз больше. Поэтому катионы калия устремляются наружу и создают на внешней поверхности нервного волокна положительный заряд. Анионы не могут последовать за калием и, скапливаясь на внутренней поверхности волокна, создают здесь отрицательный заряд. Вот почему в покое внутренняя сторона мембраны всегда заряжена отрицательно, а наружная – положительно. Разность этих зарядов, или, иначе, потенциал покоя, равняется 50–70 милливольтам.

Потенциал покоя сохраняется лишь до тех пор, пока в нервном волокне не возникло возбуждение. Если какой-то раздражитель, падающий на нервную клетку, нервное окончание или на любой другой участок нервного волокна, вызвал в этом месте возбуждение, то проницаемость мембраны немедленно, хотя и на короткий срок, меняется. Она начинает пропускать ионы натрия, которые устремляются внутрь, благодаря чему оболочка волокна перезаряжается: становится электроотрицательной снаружи и электроположительной внутри. В результате два соседних участка протоплазмы волокна, ничем между собой не разделенные, окажутся противоположно заряженными.

Такое положение сохраняться не может, между соседними участками потечет электрический ток, возникнет электрический импульс. Электрический ток вызовет возбуждение соседнего, ранее отрицательно заряженного участка волокна, что тотчас же сделает его оболочку проницаемой для натрия и изменит заряд на положительный. А как только это произойдет, между вновь возбужденным и следующим участком волокна потечет электрический ток, и все повторится сначала. Из бесконечного повторения этого процесса и складывается прохождение по волокну нервного импульса.

Так распространяется возбуждение в тонких, не покрытых миелином волокнах. Там же, где есть миелиновая изоляция, возникновение таких коротеньких петель тока невозможно, и весь процесс развертывается лишь в перехватах Ранвье (Вот, оказывается, для чего они существуют!). В миелиновых волокнах возбуждение распространяется скачками от одного перехвата к другому и движется поэтому гораздо быстрее, чем в тонких волокнах.

Таким образом, электрический ток в металлическом проводнике – это упорядоченное движение электронов, практически сразу возникающее на всем его протяжении, а нервный импульс – это движение возбудительного процесса вдоль нервного волокна, которое сопровождается возникновением электрического тока, вызывающего, в свою очередь, возбуждение соседнего участка.

Такой способ распространения возбуждения объясняет две интересные особенности нервного импульса. Во-первых, проходя по длинному волокну, нервный импульс ничуть не затухает, оставаясь постоянным по величине в начале и в конце своего пути. Во-вторых, все импульсы, идущие по волокну, совершенно одинаковы. Они не отражают силы или особенностей раздражителя, вызвавшего нервный импульс, а зависят только от свойств нервного волокна, по которому распространяются.

Эти положения были однажды проиллюстрированы в очень интересном опыте. По краю купола у медуз проходит нервное кольцо. (По своему устройству оно существенно отличается от нерва, но в данном случае это не имеет значения.) Импульс по кольцу медузы, как по нерву, может распространяться в обе стороны. Если раздражать какой-то участок кольца, импульсы побегут в обе стороны и, встретившись на противоположной стороне купола, погасят друг друга.

Опыт, о котором идет речь, интересен тем, что ученым удалось, вызвав возбуждение на определенном участке кольца, блокировать соседний. Поэтому возбуждение могло распространяться лишь в одну сторону. А когда нервный импульс обежал кольцо, блокада была снята, и он беспрепятственно проследовал через это место, совершив второй, третий, четвертый виток. Целые сутки длился опыт, а импульс все бежал и бежал, не замедляя скорости, не уменьшаясь в величине. Опыт мог бы продолжаться и дольше, до тех пор, пока животное не погибло бы или не наступило полное его истощение.