Тайная жизнь тела. Клетка и ее скрытые возможности
Шрифт:
Гольджи долго экспериментировал с физиологическими растворами и разными веществами, пытаясь пронаблюдать их воздействие на нервную ткань. Его эксперименты проводились не только в университете, но и дома, на собственной кухне, переоборудованной в лабораторию. Как же Гольджи исследовал нейроны при помощи своего метода? Он делал тончайший срез ткани и обрабатывал его солью, чтобы он затвердел, а затем помещал в раствор азотистого серебра, в котором нейроны меняли цвет и становились черными. Таким образом появилась возможность рассмотреть строение нейрона и сделать множество открытий. Оказалось, что нервные клетки бывают абсолютно разных форм, а их отростки достигают в длину около метра! И это при теле нейрона в 3-100 мк! Скорость передачи нервного импульса по этим волокнам достигает 120 м/с. Вероятно, сложность в их функциональном значении отражается даже
Метод окраски серебром имел определенные тонкости и для получения наилучших результатов требовал мастерства исполнения. Испанский гистолог Сантьяго Рамон-и-Кахал так проникся этим методом, что, освоив и усовершенствовав, увидел, что отростки нервных клеток не впадают друг в друга, а в месте их соприкосновения нет на самом деле никакого соприкосновения, там межклеточная жидкость, пространство, при помощи которого взаимодействуют нервные клетки, то есть бесконтактно. В это пространство выделяются вещества, при помощи которых и происходит взаимодействие.
Кахал родился в испанской деревушке Пентилла-де-Арагон. Он обладал пытливым умом, целеустремленным характером и был одновременно натурой творческой. В детстве он проявлял интерес к живописи и высокую одаренность в этом вопросе. Но отец, сам выросший в бедной семье, добившийся всего самостоятельно, хотел и для сына лучшей жизни. Он старательно прививал ему любовь к медицине, а когда сын засопротивлялся, то в педагогических целях послал его учиться ремеслу – к парикмахеру, а потом и вовсе сапожнику. Сантьяго Рамон-и-Кахал был успешен в любом начинании и, изучив все ремесла, все-таки исполнил волю отца и окончил медицинский университет. После учебы его призвали на военную службу и отправили хирургом на Кубу, но через некоторое время он заболел малярией и был отправлен обратно. Молодой ученый защитил докторскую диссертацию и занялся исследованиями. Дело в том, что микроскоп Рамон-и-Кахал впервые увидел только при сдаче экзаменов в Мадриде, и увиденное его поразило. Вернувшись в свой родной Саргосский университет, он отыскал необычный антикварный прибор и приступил к изучению тканей при помощи микроскопа. Проницательно и дотошно он изучал все, что попадалось под руку. Так вышла в свет его первая книга, в которой были описаны процессы, касающиеся воспаления брыжейки, роговицы и хряща. В дальнейшем выйдет много публикаций его авторства, в которых помимо прекрасного изложения научной проблемы будут присутствовать высококачественные иллюстрации к ним. Здесь-то проявились и помогли Сантьяго Кахалу его художественные способности. Ведь в те времена не было техники, которая могла бы запечатлеть увиденное в микроскоп, и Кахал зарисовывал все, что мог разглядеть. Его иллюстрации и по сей день используют в современных учебниках, потому что, несмотря на развитие технических возможностей, столь тонкой, детальной и качественной отрисовки очень мало.
Оба ученых прожили долгую и счастливую жизнь, как научную, так и личную. Им повезло найти жен, поддерживающих их во всех их начинаниях, что частично стало залогом их успеха в мировой науке.
Глава 2. Частная жизнь нейрона
В организме человека насчитывается более ста миллиардов нейронов. Нейрон (от греч. неврон — нерв) – это структурно-функциональная единица нервной системы. Эта клетка имеет сложное строение. По структуре содержит ядро, тело клетки и отростки.
Тело нервной клетки состоит из протоплазмы (цитоплазмы и ядра), снаружи она ограничена мембраной из двойного слоя липидов (билипидный слой). Липиды состоят из гидрофильных головок и гидрофобных хвостов, расположены гидрофобными хвостами друг к другу, образуя гидрофобный слой, который пропускает только жирорастворимые вещества (напр. кислород и углекислый газ). На мембране находятся белки: на поверхности (в форме глобул), на которой можно наблюдать наросты полисахаридов (гликокаликс), благодаря которым клетка воспринимает внешнее раздражение, и интегральные белки, пронизывающие мембрану насквозь, в них находятся ионные каналы.
У каждого нейрона есть один или более отростков. Это аксон и дендриты. Аксон – обычно длинный отросток, отросток, приспособленный для проведения возбуждения от тела нейрона. Дендриты – как правило, короткие и сильно разветвленные
отростки, служащие главным местом образования влияющих на нейрон возбуждающих и тормозных синапсов (разные нейроны имеют различное соотношение длины аксона и дендритов). Нейрон может иметь несколько дендритов и обычно только один аксон. Один нейрон может иметь связи со многими (до 20 тысяч) другими нейронами.Во внешнем слое аксона находится сложная структура, образованная множеством молекул, выступающих в роли каналов, по которым могут поступать ионы – как внутрь, так и наружу клетки. Один конец этих молекул, отклоняясь, присоединяется к атому-мишени. После этого энергия других частей клетки используется на то, чтобы вытолкнуть этот атом за пределы клетки, тогда как процесс, действующий в обратном направлении, вводит внутрь клетки другую молекулу. Наибольшее значение имеет молекулярный насос, который выводит из клетки ионы натрия и вводит в нее ионы калия (натрий-калиевый насос, с которым мы познакомились в первой части книги).
Когда клетка находится в покое и не проводит нервных импульсов, натрий-калиевый насос перемещает ионы калия внутрь клетки и выводит ионы натрия наружу (представьте себе клетку, содержащую пресную воду и окруженную соленой водой). Из-за такого дисбаланса разность потенциалов на мембране аксона достигает 70 милливольт (приблизительно 5 % от напряжения обычной батарейки АА).
Однако при изменении состояния клетки и стимуляции аксона электрическим импульсом равновесие на мембране нарушается, и натрий-калиевый насос на короткое время начинает работать в обратном направлении. Положительно заряженные ионы натрия проникают внутрь аксона, а ионы калия откачиваются наружу. На мгновение внутренняя среда аксона приобретает положительный заряд. При этом каналы натрий-калиевого насоса деформируются, блокируя дальнейший приток натрия, а ионы калия продолжают выходить наружу, и исходная разность потенциалов восстанавливается. Тем временем ионы натрия распространяются внутри аксона, изменяя мембрану в нижней части аксона. При этом состояние расположенных ниже насосов меняется, способствуя дальнейшему распространению импульса. Резкое изменение напряжения, вызванное стремительными перемещениями ионов натрия и калия, называют потенциалом действия. При прохождении потенциала действия через определенную точку аксона насосы включаются и восстанавливают состояние покоя.
Потенциал действия распространяется довольно медленно – не более миллиметра за секунду. Для того чтобы увеличить скорость передачи импульса (поскольку, в конце концов, не годится, чтобы сигнал, посланный мозгом, достигал руки лишь через минуту), аксоны окружены оболочкой из особого вещества – миелина, препятствующего притоку и оттоку калия и натрия. Миелиновая оболочка не непрерывна – через определенные интервалы в ней есть разрывы, и нервный импульс перескакивает из одного «окна» в другое, за счет этого скорость передачи импульса возрастает.
Когда импульс достигает конца основной части тела аксона, его необходимо передать либо следующему нейрону, либо, если речь идет о нейронах головного мозга, по многочисленным ответвлениям многим другим нейронам. Для такой передачи используется абсолютно иной процесс, нежели для передачи импульса вдоль аксона. Каждый нейрон отделен от своего соседа небольшой щелью, называемой синапсом. Потенциал действия не может перескочить через эту щель, поэтому нужно найти какой-то другой способ для передачи импульса следующему нейрону. В конце каждого отростка имеются крошечные мешочки (их называют пузырьками), в каждом из которых находятся особые соединения – нейромедиаторы. При поступлении потенциала действия из этих пузырьков высвобождаются молекулы нейромедиаторов, пересекающие синапс и присоединяющиеся к специфичным молекулярным рецепторам на мембране нижележащих нейронов. При присоединении нейромедиатора равновесие на мембране нейрона нарушается и процесс действия передается дальше.
После того как нейромедиаторы передадут нервный импульс от одного нейрона на следующий, они могут просто расщепиться, а могут вернуться обратно в свои пузырьки (этот процесс называется обратным захватом). В конце XX века было сделано поразительное научное открытие – оказывается, лекарства, влияющие на выброс и обратный захват нейромедиаторов, могут коренным образом изменять психическое состояние человека. Прозак (Prozac) и сходные с ним антидепрессанты блокируют обратный захват нейромедиатора серотонина. Нарушается вся цепочка передачи импульсов, что проявляется в необъяснимом и неадекватном поведении человека.