Зная размер, отмычку подобрать нетрудно. Азот можно заменить любым другим атомом, лишь бы он нес положительный заряд и был отделен от атома кислорода двумя атомами углерода. Главное – размер. Атомы углерода тоже могут быть заменены. Головка этой стороны ключа имеет электрический заряд: третий от азота атом углерода несет положительный заряд, а один из атомов кислорода – отрицательный.
Ну хорошо, двери соседнего фасада открыты, что же дальше? Кто в них должен пройти? Оказывается, не сам медиатор (он всего лишь ключ), а положительно заряженный ион натрия.
Концентрация ионов в клетке и окружающей ее среде неодинакова. Внутри клетки много калия, а снаружи много натрия и хлора. Неравномерное распределение ионов приводит к тому, что внутри клетка заряжена отрицательно, а снаружи положительно. Когда медиатор открывает дверь, в нее устремляются малые катионы: натрий, калий и кальций. Более крупные не проходят, дверной проем для них слишком мал. Отрицательно заряженные ионы дверь не пропускает. Видимо, дверные косяки заряжены отрицательно, а одноименные заряды, как известно, отталкиваются.
Энергичнее всех движется натрий. Сзади его подталкивают силы диффузии, спереди притягивает отрицательный заряд. Навстречу натрию идет калий. Выбираться ему из клетки трудно. Правда, силы диффузии подталкивают, но сзади держит отрицательный заряд, а спереди отталкивает положительный. Поэтому калий движется значительно медленнее натрия. Перемещение ионов приводит к изменению наружного и внутреннего зарядов клетки, они начинают уравниваться.
Это можно сравнить с коротким замыканием. Если оно произошло, автоматически открываются новые двери, специально предназначенные для иона натрия. Он в еще больших количествах устремляется внутрь клетки. В результате внутренний заряд клетки становится положительным, а наружный из-за убыли положительно заряженного иона – отрицательным. Это приводит к возникновению потенциала действия, то есть к возбуждению клетки.
В тормозных синапсах дверь открывается только для определенного иона. Если открыта калиевая дверь, он устремляется из клетки наружу. Происходит не уравнивание зарядов, а усиление прежних, и клетка становится невозбудимой. В других случаях медиатор открывает двери для отрицательно заряженного иона хлора, сосредоточенного главным образом снаружи. Устремившись в открытую дверь, хлор также увеличивает отрицательный заряд внутри клетки и положительный – снаружи, делая клетку невозбудимой.
О самих дверях известно меньше, чем о запорах. Предполагают, что клеточная мембрана состоит из четырех слоев: два внутренних слоя образуются липидами, а два наружных – белками. Вероятно, липидный слой не сплошной. В местах разрыва липидной оболочки молекулы белка могут проникать – внутрь, двигаясь навстречу друг другу по его краям, пока не встретятся. В этом месте сначала должна появиться вмятина, а затем и дырочка. Электрические заряды ключа-медиатора являются толчком, вызывающим дырообразование.
Изучение роли медиаторов позволило выяснить, что же ломает кураре: замок или ключ. Оказалось, ни то и ни другое. Молекула курарина имеет сродство к холинорецептору, то есть к замку. Оно, как ключ, вставляется в замочную скважину, однако открыть дверь не может. У нее нет электрического заряда. Настоящий ключ (ацетилхолин) в заткнутую замочную скважину попасть не может. Двери остаются запертыми, возникает паралич.
Нарушить работу синапса можно многими способами. Удалось синтезировать вещества, которые препятствуют холину, образовавшемуся в результате распада ацетилхолина, всасываться обратно в нервное окончание. Тогда, если мозг беспрерывно шлет приказы и ацетилхолин постоянно выделяется в синаптическую щель, запасы его могут вскоре иссякнуть, а синтез прекратится из-за отсутствия исходного материала. Можно «подсунуть» в нервное окончание вещество, из которого вместо ацетилхолина синтезировались бы похожие молекулы, но не обладающие его активностью. В обоих случаях наступит паралич.
Кураре не получил применения в медицинской практике, но фармакологи отыскали немало соединений, которые можно использовать для устранения судорожных сокращений мышц. В их числе обнаружились вещества, отлично блокирующие холинорецептор, хотя их строение сильно отличалось от структуры ацетилхолина. Их молекулы были значительно крупнее, и вместо одной они имели две отрицательно заряженные головки. У наиболее эффективных веществ атомы азота были разделены 10 или 16 атомами углерода, то есть расстояние между ними равнялось соответственно 14 и 20 ангстремам. Загадка не из легких.
Наиболее достоверно предположение, что двери или, во всяком случае, замочные скважины не разбросаны как попало, а сгруппированы по четыре. Тогда молекула курареподобного вещества длиною 14 ангстрем будет иметь возможность, располагаясь вдоль любой из сторон квадрата, блокировать сразу два холинорецептора. В этом случае, чтобы подавить все холинорецепторы, нужно вдвое меньше молекул, а эффект окажется более надежным, так как ключ прочнее удерживается в двух замочных скважинах сразу. Понятен и эффект действия более длинных молекул. Они, располагаясь по диагоналям квадрата, также могут одновременно заткнуть две замочные скважины, блокировав два холинорецептора. Возможно, квартеты замочных скважин тоже сгруппированы и длинные молекулы курареподобных веществ могут блокировать две замочные скважины из разных квартетов. Вероятно, холинорецепторы функционально объединены, поэтому введение в одно из отверстий ключа повышает активность остальных трех замочных скважин, и они охотнее соединяются с ацетилхолином.



Расположение мышечных рецепторов было не всегда так строго упорядочено. У низших моллюсков и асцидий (одного из наиболее примитивных хордовых) замочные скважины разбросаны беспорядочно. Упорядочение холинорецепторов по два наблюдается у осьминогов, морских звезд и миног. Мышцы этих животных очень чувствительны к веществам, в которых атомы азота разделены 16 атомами углерода. У рыб обнаруживается активность и к препаратам с 10 атомами углерода. Значит, у них уже появляются квартеты холинорецепторов. А у птиц и млекопитающих отдельных пар, видимо, нет, и существуют только квартеты. Новорожденные малыши квартетов не имеют. У мышат, крысят, котят, щенят они формируются по мере роста.
Как медиаторы попадают в синаптическую щель, еще неясно. Существует предположение, что нервный импульс открывает очень немного дверей, но ключи, высыпавшиеся из них, используются в первую очередь для того, чтобы снаружи открыть остальные двери. Только теперь, когда ключей в синаптической щели оказывается достаточно много, они попадают в замочные скважины дверей на противоположном фасаде.
Есть мнение, что собственные двери нервные волокна-корреспонденты отпирают всегда с помощью ацетилхолина (он упакован в более мелкие пузырьки и проходит в узкие отверстия), а дверь на другой стороне синаптической щели может открываться другим медиатором. Замочные скважины основных дверей находятся только снаружи. Изнутри отпереть их нельзя. Нервный импульс распахивает только маленькие дверки, через которые протискиваются худенькие пузырьки ацетилхолина. С помощью оказавшихся снаружи ключей отпираются ворота для другого медиатора, а он отворяет двери клетки-соседа.
Чтобы ключи не использовались дважды, молекулы ацетилхолина разрущает энзим холинэстераза. Другое вещество уничтожает холинэстеразу. Введенное в организм, оно значительно удлиняет время действия порции ацетилхолина. Еще значительнее возрастает время работы синапса там, где ацетилхолин лишь выполняет роль привратника, открывающего дверь другому медиатору. В этом случае, пропустив связку ключей, распахнутые двери не захлопнутся тотчас же, и в синаптическую щель в течение многих часов будет поступать медиатор, пока клетка не израсходует своих запасов.
Действие многих биологических ядов основывается на блокировании ацетилхолина. Морские моллюски и рыбы содержат сенециоилхолин, уроканоилхолин и другие холины, обладающие курареподобным действием. Их укус или укол шипами так же опасен, как стрелы воинов «золотого короля».
Иного характера яд змей. В южных районах Азии и на Цейлоне обитает не очень крупная змея – индийский крайт, наводящий ужас на местное население. По количеству смертельных случаев крайт занимает в Индии второе место. В железках, находящихся у корней зубов, содержится 5 смертельных для человека порций яда. Почти так же страшны пама из южных районов Азии, а в Австралии – великолепная денисония. Действующее начало яда – антихолинэстеразные вещества. Один грамм сухого яда индийского крайта может уничтожить за час около полукилограмма ацетилхолина. Такого количества ключей, вероятно, не найдется в организме самого крупного кита. Оставшись без ключей, нервная система утрачивает работоспособность и перестает руководить работой мышц. Функции организма постепенно угасают, нарушается сознание, из-за паралича мышц прекращается дыхание, и наступает смерть.
Медики не отстали от природы. Они создали много холиноподобных веществ. Тубокурарин и сходные соединения способны заблокировать мышечные холинорецепторы и прекратить судороги. Другие курареподобные вещества проникают в мозг и снимают судороги мозгового происхождения. Созданы вещества, имеющие сходное с ацетилхолином действие. Их используют для стимуляции дыхания.


Вниз по лестнице, ведущей вверх


Колумб мозга – Герофил

Город Александрия был заложен Александром Македонским как новая столица эллинского Египта. После смерти великого полководца здесь обосновался один из его сподвижников, Птолемей I Сотер, положивший начало династии Птолемеев. Он не принял участия в жестоких битвах за раздел и перераздел всемирной империи, которые вели между собой все остальные военачальники александровской когорты. Вместо этого он отстраивал столицу, укреплял свою власть в Египте.
Вероятно, самым выдающимся деянием его жизни было создание Мусейона, что в переводе на русский язык должно обозначать «обиталище», или «дом муз». Не правда ли, неплохая задумка?
Греческий пантеон насчитывал девять муз. Две из них заведовали науками. Клио занималась историей, а Урания представляла точную науку – астрономию. Остальные увлекались искусством: Мельпомена – трагедией, Талия – комедией, Терпсихора – танцем, Эрато – любовными песнями, Каллиопа – эпической поэзией, Полигимния – религиозными песнопениями, Эвтерпа – лирической поэзией. Мусейон был большим общежитием, но не следует думать, что там действительно обитали вышеперечисленные красотки. Дом муз был научно-исследовательским институтом, возможно, первым в мире. Здесь жили и работали ученые, сходясь вместе прохладными вечерами во время прогулок в парках Мусейона для спокойного обмена мнениями или жарких дискуссий.
В Мусейон ученых привлекало не только хорошее финансирование науки, на которое, говорят, Птолемеи были достаточно щедры, но и одна из лучших библиотек того времени, собранная частично с помощью золота, частично путем обмана. Неудивительно, что в Мусейоне работало немало выдающихся ученых, таких, как географ и математик Эратосфен, сумевший вычислить диаметр Земли с достаточно высокой по тем временам точностью в 75 километров, математик Эвклид, написавший 13 томов «Начал» геометрии, астроном Аристарх Самосский, почти за 2 тысячи лет до Коперника установивший, что Земля – шар, вращающийся вокруг Солнца, и основоположник автоматики Герон. Там же работал врач Герофил.
Мусейон тех дней был единственным местом на Земле, где можно было решиться на вскрытие человеческих трупов. Занимаясь анатомией, Герофил пришел к выводу, что головной мозг – во-первых, центр всей нервной системы, а во-вторых, орган мышления. Может показаться странным, что о таком очевидном факте до него никто не подозревал.
Предмет оказался трудным для изучения. Прошло почти две тысячи лет, прежде чем накопилось достаточное количество сведений о происхождении мозга и его строении и появилась возможность сделать первые, очень робкие шаги, чтобы понять его функции.

Лестница

История мозга своими корнями уходит очень глубоко. 2–3 миллиарда лет природа колдовала над живыми организмами, прежде чем из жиденькой сети нервных клеток, из крохотных нервных узелков возникла наиболее сложно устроенная на нашей планете материя – человеческий мозг. Знать, как это произошло, необходимо. Прослеживая, как этап за этапом усложнялась высшая нервная деятельность животных, лучше понимаешь работу человеческого мозга.
За 70 лет поисков и находок исследователи поведения животных сумели спуститься до самой последней ступеньки грандиозной лестницы эволюции. Отправимся туда и мы, чтобы затем пройти путем, которым карабкались наверх животные нашей планеты. Нам придется подниматься быстро, перепрыгивая через пять-десять ступенек сразу. Лишь на самых важных удастся задержаться на короткое мгновение.
Какие ступени эволюции наиболее важны? Решить этот вопрос – значит ответить на основные загадки мозга, а они, как известно, еще не разгаданы. Я поведу вас так, как мне представляется целесообразным, не претендуя на то, что выбранный мною путь самый правильный.



Итак, два-три миллиарда лет назад в солоноватом бульоне мировых океанов появились первые комочки живого вещества, прообразы настоящих одноклеточных организмов. Они обладали основным качеством, присущим всему живому, – свойством раздражимости и способностью передавать возбуждение из одного участка крохотного организма другому, то есть проводимостью.
Позже некоторые организмы стали селиться вместе, образуя колонии. Такие компанейские одноклеточные существа стали прообразом первых многоклеточных организмов. Многоклеточный организм – большое хозяйство; чтобы разумно управлять им, целесообразно иметь какой-нибудь командный пункт. Ничего похожего поначалу не было. Все клетки первых многоклеточных организмов были равны между собой. Любая из них имела право возбудиться, а когда возбуждение распространится на всю клетку, могла передать его ближайшей соседке. Вот и все новшество. На Земле и сейчас существуют примитивные организмы, не имеющие специальных систем управления. Это губки. Передавая возбуждение от соседа к соседу, губки способны осуществлять некоторые координированные акты.
Медузы и актинии живут во всех морях земного шара. Внешне они выглядят совсем неинтеллектуальными существами, какими действительно и являются. Но посмотрите, как ловко хватает актиния проворных и юрких рыб и, облепив щупальцами, тянет в рот. Отдаленные предки этих животных первыми обзавелись примитивным аппаратом для координации движений. У них появились особые клетки, главной функцией которых стали раздражимость и проводимость. Они первые отзываются на воздействия окружающей среды и быстро передают возбуждение остальным клеткам, позволяя организму немедленно реагировать.
У типичной нервной клетки небольшое тело и несколько отростков, по длине значительно превосходящих саму клетку. Их задача обеспечить связь между отдельными районами тела. Раздражение любого участка тела может очень быстро вызвать возбуждение всего организма. Объединяя все части тела животного, нервная система является главным интегратором организма.
Нервная система кишечнополостных (к ним и относятся актинии, гидры, медузы) весьма примитивна. Она представляет собой довольно жиденькую сеть нервных клеток. Их три типа: чувствительные, двигательные и ассоциативные. Первые предназначены для восприятия падающих на организм раздражений, вторые передают возбуждение на сократимые клетки тела, а клетки третьего типа обеспечивают связь чувствительных и двигательных нейронов, передавая возбуждение от первых ко вторым. Одна чувствительная нервная клетка может быть связана своими отростками с несколькими ассоциативными клетками, а те, в свою очередь, имеют контакт с несколькими другими ассоциативными и двигательными нервными клетками. Вот почему при ловле добычи щупальца действуют быстро и координированно.
Определенным усовершенствованием нервной системы стало появление сгущений нейронов и их отростков в тех местах, где требовалась согласованная работа большого количества сократимых клеток. Нервные тяжи, образованные такими скоплениями, есть у гидр и актиний. У медузы два нервных кольца проходят по краю купола, что позволяет ей, сжимая купол, активно передвигаться в толще воды.
Затем возникли более четко выраженные нервные тяжи, где оказалось сосредоточенным большинство нервных клеток.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30