Как из биологических живых существ людей, животных, растений, воды, воздуха получать электроэнергию?

Как мы знаем, некоторые организмы делают это сами, такие как некоторые виды угрей, скатов и т. д.

Прошло ещё два века, прежде чем человечеству удалось раскрыть тайну живого электричества. Пока не был изобретён электронный микроскоп, учёные не могли себе даже представить, что вокруг клетки находится настоящая «таможня» со своими строгими правилами «паспортного контроля». Мембрана животной клетки — тонкая, не видимая невооружённым глазом оболочка, — обладая полупроницаемыми свойствами, является надёжным гарантом сохранения жизнеспособности клетки (поддержания её гомеостаза).

(Электрический угорь способен генерировать электричество напряжением до 550 В.!)

Но вернёмся к электричеству. Какая существует взаимосвязь между мембраной клетки и живым электричеством?

Итак, первая половина XX века, 1936 год. В Англии зоолог Джон Юнг публикует методику препарирования нервного волокна головоногого моллюска. Диаметр волокна достигал 1 мм. Такой видимый глазу «гигантский» нерв сохранял способность проводить электричество даже вне организма в морской воде. Вот тот самый «золотой ключик», с помощью которого будет открыта дверь в тайны живого электричества. Прошло всего три года, и соотечественники Юнга — профессор Эндрю Хаксли и его ученик Алан Ходжкин, вооружившись электродами, поставили серию экспериментов на этом нерве, результаты которых перевернули мировоззрение и «зажгли зелёный свет» на пути к электрофизиологии.

Отправной точкой в этих исследованиях явилась книга Гальвани, а именно описание им тока повреждения: если мышцу разрезать, то электрический ток «выливается» из неё, что стимулирует её сокращение. Для того чтобы повторить эти эксперименты на нерве, Хаксли проткнул двумя тонкими, как волоски, электродами мембрану нервной клетки, поместив их таким образом в её содержимое (цитоплазму). Но вот неудача! Ему не удалось зарегистрировать электрические сигналы. Тогда он вынул электроды и поместил их на поверхность нерва. Результаты были печальными: ровным счётом ничего. Казалось, фортуна отвернулась от учёных… Оставался последний вариант — один электрод поместить внутрь нерва, а другой оставить на его поверхности. И вот он, счастливый случай! Уже через 0,0003 секунды был зарегистрирован электрический импульс с живой клетки. Было очевидно, что за такое мгновение импульс не может возникнуть вновь. Это означало только одно: заряд сконцентрирован на покоящейся неповреждённой клетке.

В последующие годы подобные опыты были проделаны на бесчисленном множестве других клеток. Оказалось, что все клетки заряжены и что заряд мембраны является неотъемлемым атрибутом её жизни. Пока клетка жива, у неё есть заряд. Однако оставалось всё ещё неясным, каким же образом клетка заряжается? Задолго до экспериментов Хаксли Руcский физиолог Н. А. Бернштейн (1896–1966) опубликовал свою книгу «Электробиология» (1912). В ней он, словно провидец, теоретически раскрыл главную тайну живого электричества — биохимические механизмы возникновения заряда клетки! Удивительно, но через несколько лет данная гипотеза была блестяще подтверждена в экспериментах Хаксли, за что он и был удостоен Нобелевской премии. Итак, каковы же эти механизмы?

Как известно, всё гениальное просто. Так оказалось и в этом случае. Наш организм состоит на 70% из воды, а точнее, из раствора солей и белков. Если заглянуть внутрь клетки, то окажется, что её содержимое перенасыщено ионами К+ (внутри их примерно в 50 раз больше, чем за её пределами). Между клетками, в межклеточном пространстве, преобладают ионы Na+ (здесь их примерно в 20 раз больше, чем в клетке). Такое неравновесие активно поддерживается мембраной, которая, подобно регулировщику, пропускает через свои «ворота» одни ионы и не пропускает другие.

Мембрана, словно бисквитный пирог, состоит из двух рыхлых слоёв сложных жиров (фосфолипидов), толщу которых пронизывают, как бусины, белки, выполняющие самые разнообразные функции, в частности они могут служить своеобразными «воротами» или каналами. Внутри таких белков есть отверстия, которые могут открываться и закрываться с помощью особых механизмов. Для каждого типа ионов существуют свои каналы. Например, движение ионов К+ возможно только через К+-каналы, а Nа+ — через Na+-каналы.

Когда клетка находится в состоянии покоя, для ионов К+ горит зелёный свет и они беспрепятственно покидают пределы клетки через свои каналы, направляясь туда, где их мало, чтобы уравновесить свою концентрацию. Помните школьный опыт по физике? Если взять стакан с водой и капнуть в него разведённый перманганат калия (марганцовку), то через некоторое время молекулы красящего вещества равномерно заполнят весь объём стакана, окрасив воду в розовый цвет. Классический пример диффузии. Аналогичным образом это происходит с ионами К+, которые есть в избытке в клетке и имеют всегда свободный выход через мембрану. Ионы же Nа+, как персона non grata, не имеют привилегий со стороны мембраны покоящейся клетки. В этот момент для них мембрана как неприступная крепость, проникнуть через которую почти невозможно, поскольку все Nа+-каналы закрыты.

Но при чём же здесь электричество, скажете вы? Всё дело в том, что, как было отмечено выше, наш организм состоит из растворённых солей и белков. В данном случае речь идёт о солях. Что такое растворённая соль? Это дуэт связанных между собой положительных катионов и отрицательных анионов кислот. Например, раствор хлорида калия — это K+ и Сl– и т. д. Кстати, физиологический раствор, который широко используется в медицине для внутривенных вливаний, представляет собой раствор хлорида натрия — NaCl (поваренной соли) в концентрации 0,9%.

В естественных условиях просто ионов К+ или Nа+ поодиночке не бывает, они всегда находятся с анионами кислот — SO42–, Cl–, PO43– и т. д., и в обычных условиях мембрана непроницаема для отрицательных частиц. Это означает, что, когда ионы К+ движутся через свои каналы, связанные с ними анионы, как магниты, тянутся за ними, но, не имея возможности выйти наружу, скапливаются на внутренней поверхности мембраны. Поскольку за пределами клетки, в межклеточном пространстве, преобладают ионы Nа+, то есть положительно заряженные частицы, плюс к ним постоянно просачиваются ионы К+, на наружной поверхности мембраны концентрируется избыточный положительный заряд, а на её внутренней поверхности — отрицательный. Так что клетка в состоянии покоя «искусственно» сдерживает неравновесие двух важных ионов — К+ и Nа+, в силу чего мембрана поляризуется за счёт разности зарядов по обе её стороны. Заряд в состоянии покоя клетки называют мембранным потенциалом покоя, который равен примерно —70 мВ. Именно такой величины заряд был впервые зарегистрирован Хаксли на гигантском нерве моллюска.

Фермент Na/К-АТФаза работает по принципу челнока, выкачивая из клетки три иона Na и закачивая два иона К для восстановления работоспособности.

Когда стало ясно, откуда берётся «электричество» в клетке в состоянии покоя, тут же возник вопрос: куда же оно девается, если клетка работает, например когда наши мышцы сокращаются? Истина лежала на поверхности. Достаточно было заглянуть внутрь клетки в момент её возбуждения. Когда клетка реагирует на внешние или внутренние воздействия, в этот момент молниеносно, как по команде, открываются все Na+-каналы и ионы Na+, словно снежный ком, за доли секунд устремляются внутрь клетки. Таким образом, за мгновение, в состоянии возбуждения клетки, ионы Na+ уравновешивают свою концентрацию по обе стороны мембраны, ионы К+ по-прежнему медленно покидают клетку. Выход ионов К+ настолько медленный, что, когда ион Na+ наконец-то прорывается через неприступные стены мембраны, их там остаётся ещё достаточно много. Теперь уже внутри клетки, а именно на внутренней поверхности мембраны, сконцентрируется избыточный положительный заряд. На её же внешней поверхности будет отрицательный заряд, потому что, как и в случае с К+, за Na+ устремится целая армия отрицательных анионов, для которых мембрана по-прежнему непроницаема. Удерживаемые на её внешней поверхности электростатическими силами притяжения, эти «осколки» от солей создадут здесь отрицательное электрическое поле. Это означает, что в момент возбуждения клетки мы будем наблюдать реверсию заряда, то есть смену его знака на противоположный. Этим объясняется, почему заряд при возбуждении клетки меняется с отрицательного на положительный.

Есть и ещё один важный момент, который в далёкие времена описывал Гальвани, но не смог правильно объяснить. Когда Гальвани повреждал мышцу, она сокращалась. Тогда ему казалось, что это ток повреждения и он «выливается» из мышцы. В какой-то степени слова его были пророческими. Клетка действительно теряет свой заряд, когда работает. Заряд существует только тогда, когда есть разность между концентрациями ионов Na+/K+. При возбуждении клетки численность ионов Na+ по обе стороны мембраны одинакова, к этому же состоянию стремится и К+. Именно поэтому при возбуждении клетки заряд уменьшается и становится равен +40 мВ.

Когда загадку «возбуждения» разгадали, неизбежно возник другой вопрос: как же клетка приходит в норму? Каким образом заряд на ней возникает вновь? Ведь не умирает же она, после того как поработает. И действительно, через несколько лет нашли этот механизм. Им оказался белок, встроенный в мембрану, но это был необычный белок. С одной стороны, выглядел он так же, как и белки-каналы. А с другой — в отличие от своих собратьев, этот белок «дорого брал за свою работу», а именно энергией, такой ценной для клетки. Причём пригодная для его работы энергия должна быть особая, в виде молекул АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты). Эти молекулы специально синтезируются на «энергетических станциях» клетки — митохондриях, бережно там хранятся и при необходимости с помощью специальных переносчиков доставляются к месту назначения. Энергия из этих «боеголовок» высвобождается при их распаде и расходуется на различные нужды клетки. В частности, в нашем случае эта энергия требуется на работу белка, названного Na/K-АТФаза, основная функция которого заключается в том, чтобы, подобно челноку, перевозить Na+ наружу из клетки, а К+ — в обратном направлении.

Таким образом, чтобы восстановить утраченные силы, необходимо поработать. Задумайтесь, тут скрывается реальный парадокс. Когда клетка работает, то на уровне клеточной мембраны этот процесс протекает пассивно, а для того чтобы отдохнуть, ей требуется энергия.)