Немного истории

В век гигантских электростанций на планете, покрытой густой паутиной линий высоковольтных передач, как-то совсем забыли, что электричество вошло в нашу жизнь благодаря животным. С электрическими явлениями древние египтяне были знакомы еще четыре с половиной тысячи лет назад. Об этом свидетельствует надгробный памятник в Соккаре, на котором изображен электрический сом, живущий в верховьях Нила.

В Европе с электричеством познакомились благодаря наблюдениям Фалеса Милетского еще за 600 лет до нашей эры. Он обнаружил, что кусочек янтаря, если его потереть, приобретает способность притягивать, а затем и отталкивать разные мелкие предметы.

Больше двух тысячелетий этот факт не привлекал особого внимания, пока Уильяму Джильберту не пришло в голову потереть кусочки стекла, сургуча, серы и других веществ. Обо всем, что произошло, Джильберт откровенно написал в 1600 году в своей книге «О магните, магнитных телах и великом магните земли». Кстати, это он придумал слово «электричество», от греческого «электрон», что значит «янтарь».

Книга Джильберта несколько оживила интерес к этим явлениям, однако изучение электричества проводилось разрозненными одиночками и на первых порах никаких выгод человечеству не сулило.

Неизвестно, когда бы за электричество взялись всерьез, если бы синьоре Гальвани, жене болонского профессора анатомии, не приходилось самой ходить в мясную лавку за куском говядины на обед. Впрочем, не только говядины: итальянский народ всегда отличался широтой взглядов и не брезговал такими деликатесами, как лягушачьи окорочка.

Рассказывают, что именно лягушачьи лапки, развешанные гроздьями на медных крючках, прикрепленных к железным перекладинам, поразили воображение синьоры Гальвани. К ее великому удивлению и ужасу, отрезанная лапка лягушки, касаясь железа, вздрагивала, точно живая. Утверждают, будто синьора так надоела мужу, рассказывая о напугавшем ее явлении, объясняя его близостью мясника с нечистой силой, что профессор решил сам пойти в лавку и выяснить, что там происходит.

Луиджи Гальвани знал о проведенных лет за тридцать до того наблюдениях, показавших, что мышцы человеческого трупа сокращаются, когда они получают разряд лейденской банки. Естественно, что Гальвани объяснил подергивания лягушачьих лапок в лавке мясника влиянием разрядов атмосферного электричества. Чтобы успокоить жену, ученый решил провести наблюдения за лягушками у себя дома. Опыт, поставленный в одну из грозовых ночей, блестяще удался: лапки мертвой лягушки, подвешенной на медном крючке к решетке балкона, время от времени дергались как живые.

Ни гроза, ни нечистая сила к сокращению мышц никакого отношения, конечно, не имели. Видимо, ветер раскачивал тушку, а когда она касалась чугунной балюстрады, замыкалась цепь между железом и медью, и электрический ток, возникающий в цепи разнородных металлов, как и полагается в таких случаях, вызывал сокращение мышц. Понять это сумел лишь Александр Вольта, что ничуть не умаляет заслуг Гальвани.

Его увлекли опыты с электричеством, и он занимался ими до конца своей жизни, уже в 1791 году опубликовав результаты первых наблюдений. Благодаря этим публикациям, а также, вероятно, и в силу общительного характера синьоры Гальвани, сенсационные слухи о возможности с помощью электричества «возвращения жизни» мертвому животному быстро распространились по всей Италии и далеко за ее пределы, захватив воображение мыслящего человечества и дав пищу для самой смелой фантазии.

Дальнейшие исследования окончательно убедили Гальвани в самой тесной связи жизни и электричества, в зависимости всех жизненных проявлений организма от «электрической силы». Это и помешало ему поверить в правоту предположений Вольты. Приводя в соприкосновение мертвых лягушек с медными и железными предметами, Гальвани убедился, что электричество берется не из атмосферы. Но где же оно тогда возникает: между медью и железом, как предполагал Вольта, или в самой лягушке? Гальвани было трудно поверить, что так тесно связанное с жизнью явление могло бы само по себе возникать в неодушевленных предметах.

Ученые в то время знали только два источника электричества: трение и электрических рыб – скатов. Однако в металлах даже при трении электричества не обнаруживалось, и у Гальвани не появилось и тени сомнения. Позже он сумел доказать, что электричество действительно может возникать в организме.

Форма опыта была проста. Нерв одной лягушачьей лапки отрезался и сгибался в дугу. Нерв второй лапки отделялся вместе с мышцей и накладывался на первый так, чтобы касаться его в двух местах: у места перерезки и где-нибудь в неповрежденной части. В момент соприкосновения нервов мышца сокращалась. Существование «животного электричества» было доказано.

В десятках лабораторий эти опыты повторили. Ими занимались биологи, физики, математики, врачи. Из удобного объекта для биологических опытов лягушка в руках физиков очень скоро превратилась в удобный источник тока и в наичувствительнейший измерительный прибор. Не удивительно, что, получив такой универсальный прибор, имея постоянно дело с «живым электричеством», физики привыкли именно его считать истинным, а возникновение электродвижущей силы между разнородными металлами воспринимали скорее как явление парадоксальное. Недаром Вольта, создав гальваническую батарею, назвал ее искусственным электрическим органом.

Дальнейший рост знаний об электричестве также вызывался не потребностями техники. Об этом свидетельствует хотя бы такой факт. Еще в 1838 году академик Б.С. Якоби удивлял гуляющую петербургскую публику, совершая прогулки по Неве на моторной лодке, которую приводил в движение с помощью сконструированного им электромотора мощностью в одну лошадиную силу. (Напомним, что мощность первой паровой машины тоже не превышала одной лошадиной силы.) Понадобилось более 20 лет, чтобы первый электромотор попробовали использовать на промышленном предприятии.

С этого момента развитие электротехники отодвинуло на задний план более чем скромные успехи электрофизиологии. Впрочем, и эта отрасль знаний тоже понемножку развивалась. Около ста лет назад было доказано, что электрические явления возникают не только в периферических нервных проводниках, но и генерируются самим мозгом. В то время еще не было условий для изучения таких слабых электрических процессов, хотя ученых это не останавливало. Крупнейший русский физиолог Н.Е. Введенский использовал в своих исследованиях телефон, что позволяло ему слушать информацию, передающуюся по периферическим нервам. Только в тридцатых годах нашего столетия была создана необходимая аппаратура, и лавина электрофизиологических исследований стала расти как снежный ком.

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.

Электростанция под водой

Европейцам от первого знакомства с электричеством до внедрения его в технику потребовалось почти две с половиной тысячи лет. Врачи начали использовать его в своей практике значительно раньше, хотя даже понятия об электричестве не имели. Многие выдающиеся врачи Римского государства, такие, как Клавдий Гален, лечили людей электричеством, пользуясь живыми электростанциями обитателей морских глубин – рыб.

В Средиземном и других морях земного шара водятся довольно крупные скаты. Римляне знали, каким удивительным образом добывают они себе пищу. Эти рыбы не гоняются за добычей, не выскакивают на нее из засады. Спокойно, не торопясь, плывут в толще воды, но, как только поблизости оказываются мелкие рыбы, крабы или осьминоги, с ними что-то происходит: начинаются судорожные конвульсии, миг-другой, и неосторожное животное мертво. Скат подбирает свою добычу и не торопясь отправляется дальше.

Римляне думали, что удивительные рыбы, увидев добычу, выделяют в воду какое-то ядовитое вещество. Яд действовал и на человека, причем прямо через кожу, но не был для него смертелен. Прикосновение к рыбе ощущалось как удар, рука невольно отдергивалась. Римские врачи считали яд скатов очень полезным лекарством. Ради него их отлавливали и содержали в морских садках.

Так думали две тысячи лет назад. Только сравнительно недавно была разгадана поистине удивительная тайна этих рыб. Опасные хищники оказались живой электростанцией, способной вызывать разряд такой силы, что находящиеся вблизи мелкие животные гибнут. То, что римляне приписывали действию яда, в действительности было электричеством. Впоследствии выяснилось, что существует немало «электрических» рыб и некоторые из них гораздо опаснее ската.

Весть о такой чудовищной электростанции дошла до европейцев значительно позже. Вскоре после открытия Америки туда хлынул поток жестоких и жадных до золота авантюристов. Им и довелось испытать на себе силу электрических разрядов этой интересной рыбы.

Еще первые завоеватели Америки – испанцы создали миф о затерянной в джунглях южного материка сказочно богатой стране Эльдорадо, где даже мостовые выложены булыжниками из чистого золота. На поиски загадочной страны снаряжался отряд за отрядом. Одному из таких отрядов под командованием Де Сикка удалось проникнуть в верховья Амазонки. Несколько месяцев плыли они вверх по реке, прежде чем достигли ее истоков. Огромная река, один из притоков Амазонки, превратилась здесь в небольшой ручеек. Дальше плыть по воде стало невозможно, и отряд двинулся в джунгли.

Дорогу преграждали непроходимые заросли, страшные топкие болота. Опасность подстерегала на каждом шагу: огромные крокодилы, ядовитые змеи и удавы, племена враждебно настроенных индейцев, уже знавших, что несут с собой белые завоеватели, и несметные тучи комаров и москитов, заражающих людей малярией, тропической лихорадкой и другими опасными болезнями. Каждый метр пути приходилось буквально прорубать в сплошной зеленой стене джунглей.

Однажды отряд Де Сикка вышел на окраину огромного болота. Был засушливый период года, и болото почти высохло. Лишь вдали, в самом центре, в лучах полуденного солнца поблескивали лужи еще сохранившейся воды. Европейцы свободно вздохнули: на несколько часов дорога обещала быть легкой.

Все шло хорошо, пока отряд не достиг цепочки соединенных между собой мелких луж в центре болота. Индейцы-носильщики категорически отказались войти в воду. В глазах их отражался ужас. Европейцы никак не могли понять, в чем дело. Лужи были такие мелкие, что в них не могли спрятаться ни крокодилы, ни гигантские анаконды. Гроза южноамериканских рек ужасные рыбы пирайи также не могли здесь оказаться.

Один из европейцев пошел вперед, чтобы подать пример испуганным носильщикам. Но едва он сделал несколько шагов, как с нечеловеческим криком рухнул навзничь, точно сбитый с ног могучим ударом. Два товарища, бросившиеся ему на помощь, через секунду оказались в грязи, опрокинутые все тем же невидимым противником.

Лишь через несколько часов их спутники отважились осторожно войти в воду и вынесли на сушу своих пострадавших товарищей. Все трое остались живы, но продолжать путь отряд уже не смог. У жертв невидимого врага ноги были парализованы. К вечеру движение ног начало восстанавливаться, но только через несколько дней больные окончательно выздоровели. Суеверный, как и все конкистадоры, Де Сикка решил вернуться назад.

Так впервые европейцы узнали еще об одной подводной электростанции, которая находится в теле довольно крупной рыбы – пресноводного электрического угря. Рыбы эти имеют внушительные размеры – 1,5–2 метра в длину и весят до 15–20 килограммов.