Электрический ток в живых тканях

Важная роль электрических импульсов для жизнедеятельности организмов предполагалась еще более 200 лет назад. Сейчас известно, что эти импульсы используются для обеспечения управления работой органов и передачи информации между ними в процессе жизнедеятельности. Роль кабелей для передачи сигналов в сложнейшем «биологическом компьютере» играют нервы, основу которых составляют узко специализированные клетки — нейроны. Основные функции этих клеток — прием, обработка и усиление электрических сигналов. Нейроны связываются друг с другом в «сеть» при помощи специальных удлиненных выростов — аксонов, выполняющих функции проводников. Исследования распространения электрических сигналов в аксонах выполнялись совместно биологами, химиками и физиками в 30−60 годах нашего века и явились одним из первых удачных примеров плодотворного сотрудничества представителей смежных естественных наук.

Как оказалось, свойства электрических импульсов, распространяющихся в аксонах существенно отличаются от привычных для электротехники: 1) скорость распространения импульсов по аксону оказывается на несколько порядков меньше характерных для металлических; 2) после прохождения электрического импульса существует «мертвое» время, в течение которого распространение следующего импульса невозможно; 3) существует пороговое значение напряжения (импульсы с амплитудой ниже пороговой не распространяются); 4) при медленном нарастании напряжения даже до превышающего порог значения импульс по аксону не передается («аккомодация»).

Перечисленные нехарактерные для традиционной электротехники особенности проводимости аксонов нашли объяснения в рамках весьма специфического электрохимического механизма, центральная роль в котором принадлежит полу проницаемой для ионов клеточной мембране, отделяющей содержащий аномально высокую концентрацию ионов K+ и низкую — Na+ внутренний объем клетки (и ее аксона) от окружающей среды, заполненной физиологическим раствором. В результате хаотического теплового движения частиц через границу между областями с различными концентрациями положительных ионов возникают диффузионные потоки (K+ - из клетки, Na+ - внутрь ее), скорости которых регулируются проницаемостью клеточной мембраны и электрической разностью потенциалов по обе стороны от нее. Изменения проницаемости мембраны для каждого из ионов приводит к изменению количества заряженных частиц, пересекающих границу и, следовательно, к изменению электрического потенциала аксона относительно внешней среды. Как показали опыты, проводимость участка мембраны изменяется в зависимости от приложенной к нему разности потенциалов. Т.о. подаваемый на участок аксона электрический импульс изменяет на небольшое время (зависящее от свойств аксона) проводимость мембраны, что ведет к перераспределению зарядов, усилению импульса и формированию его заднего фронта. При этом аксон одновременно играет роль проводника и «усиливающих подстанций — ретрансляторов», что позволяет избежать затухания сигналов, передаваемых в организме на достаточно большие расстояния.

Интересно, что весьма сходную проблему с той, что была решена природой, незадолго до раскрытия механизма проводимости аксона пришлось решать в радиотехнике при попытке организовать транс Атлантическую кабельную связь. Для того, чтобы избежать затухания и искажения сигнала в длинной линии, кабель пришлось разделить на сравнительно короткие звенья, между которыми были помещены усилители. Опыт, накопленный физиками при создании длинных линий кабельной связи, существенно облегчил решение проблемы о механизме электропроводности аксона.