Экклсу не давала покоя длительность процесса замедления ритма биения сердца при стимуляции блуждающего нерва. Поскольку в этом процессе, как было известно из работы Лёви, участвовал химический медиатор, он заключил, что значительно более быстрая передача информации в синапсах между нервом и скелетными мышцами не может быть химической, а значит, должна быть электрической. Его возмущало предположение Дейла и Фельдберга о том, что ацетилхолин служит медиатором в нервно-мышечных синапсах. К 1949 г., однако, у Экклса накопилось достаточно фактов, говорящих о том, что передача информации в нервно-мышечных синапсах действительно является химической.
Впрочем, он не спешил делать выводы о том, что происходит в синапсах между нейронами в спинном и головном мозге. По его мнению, там все же могла преобладать электрическая передача информации. Решающий эксперимент, который положил конец спору, Экклс вместе с коллегами Джеком Кумбсом и Лоренсом Броком поставил в одну из ночей в середине августа 1951 г. в Данидине, Новая Зеландия. По словам Экклса, на этот эксперимент его натолкнул разговор с философом Карлом Поппером, который утверждал, что в науке доказать нельзя ничего, можно лишь опровергнуть. Поэтому Экклс загорелся идеей продемонстрировать, что передача нервных импульсов в центральной нервной системе не является электрической, и — к его безмерному удивлению — ему это удалось. Прорыв произошел потому, что группа исследователей использовала тончайшие микропипетки, которые вводили в нейроны спинного мозга для регистрации электрических сигналов в постсинаптических клетках при стимулировании нерва. Кумбс, инженер-электрик, сконструировал и собрал специальный прибор для стимулирования нейронов и регистрации сигналов в них. Экклс выстроил эксперимент так, чтобы кривая потенциала на самописце шла вниз, если передача была химической, и вверх — если электрической. Кривая пошла вниз, и Экклс был потрясен — его гипотеза электрической передачи информации была опровергнута. Эта ночь оказалась драматической и по другим причинам. Жена Кумбса родила дочь, и роды принимал Брок (врач), в то время как Экклс экспериментировал до самого утра.
Томас Хаксли[17] однажды назвал «уничтожение прекрасной гипотезы всего лишь одним скверненьким фактиком» величайшей трагедией науки. Однако Экклс не скорбел об утрате своей идеи, а тут же написал Дейлу, что теперь и он убедился в химической природе передачи нервных импульсов. Дейл в ответ поздравил Экклса с прекрасными результатами и сухо выразил надежду на то, что «энтузиазм вновь обращенного не поставит никого из нас в неловкое положение». Позднее он написал, что обращение Экклса в сторонника гипотезы химической передачи информации было подобно обращению Савла на пути в Дамаск, «когда внезапно засиял свет, и пелена упала с его глаз»[18]. Способность быстро отказаться от своей гипотезы, когда данные неопровержимо говорят о ее ошибочности, — одна из самых сильных сторон научного подхода и показатель уровня ученого. Помни о зазоре
Когда нервный импульс достигает окончания аксона, он должен каким-то образом вызывать выделение нейромедиатора из содержащих его крошечных везикул. В этом процессе решающую роль играют ионы кальция. Концентрация ионов кальция внутри клеток в 10 000 раз меньше, чем снаружи. Такую концентрацию поддерживают молекулярные насосы, которые быстро удаляют поступающий кальций, выбрасывая его из клетки или запасая во внутриклеточных депо. Одна из причин, по которым концентрация кальция поддерживается на таком низком уровне, заключается в том, что он служит мессенджером, передающим внутриклеточным белкам и органоидам информацию о событиях на клеточной мембране. На нервном окончании, например, кальций инициирует выделение ацетилхолина из везикул в пространство между нервной и мышечной клетками.
Когда нервный импульс достигает нервного окончания, под его воздействием кальциевые каналы открываются и впускают поток ионов кальция в клетку. Это заставляет синаптические везикулы, наполненные нейромедиатором ацетилхолином, двигаться в направлении мембраны, сливаться с ней и выбрасывать содержимое в синаптическую щель. Ацетилхолин затем диффундирует через щель и присоединяется к рецепторам на мембране мышечного волокна. Присоединение нейромедиатора открывает ионный канал в ацетилхолиновом рецепторе, позволяя ионам натрия входить в клетку. Натриевый ток инициирует электрический импульс в мышце. Таким образом, электрический сигнал передается от нерва к мышце с помощью химического посредника.
Кальций поступает в клетку через кальциевые каналы в мембране пресинаптического нерва, которые открываются в ответ на изменение потенциала, вызванного нервным импульсом. Чрезвычайно важно, чтобы эти каналы открывались только при поступлении импульса и оставались открытыми короткое время. Бесконтрольный приток кальция может быть опасным, поскольку он приводит к продолжительному выделению нейромедиатора. Одним из множества токсичных компонентов яда смертельно опасного паука «черная вдова» является альфа-латротоксин, который встраивается в клеточную мембрану и образует поры, позволяющие ионам кальция бесконтрольно поступать в клетку, что приводит к массированному выбросу нейромедиатора и мышечному спазму.
Повышенное выделение нейромедиатора может также быть результатом генетических мутаций, которые увеличивают продолжительность нервного импульса и таким образом повышают приток кальция. Люди с такими мутациями периодически испытывают приступы головокружения, непроизвольную мышечную дрожь и расстройство координации движений, в результате которого они теряют равновесие и с трудом ходят. У них может также наблюдаться рвота. Приступы нередко провоцируются сильными эмоциями, например во время просмотра футбольного матча с участием любимой команды. Учитывая характер симптомов, неудивительно, что людей в этом состоянии принимают за пьяных — факт, который особенно раздражает страдающих таким недугом, особенно если они на деле являются трезвенниками.
В то же время неадекватный приток кальция приводит к тому, что слишком мало везикул выделяют свое содержимое, и выбрасываемого нейромедиатора недостаточно для инициирования сокращения мышц. Такое наблюдается в случае миастенического синдрома Ламберта–Итона, состояния, в котором организм вырабатывает антитела против кальциевых каналов в нервно-мышечных синапсах. Эти антитела прикрепляются к кальциевым каналам и удаляют их из мембраны нервной клетки, в результате чего нервные импульсы не вызывают выделения нейромедиатора. Итог — мышечная слабость или паралич. В большинстве случаев синдром является следствием развития опухоли (обычно рака легких) в организме, которая имеет аналогичный тип кальциевых каналов. Иммунная система реагирует на раковую опухоль, вырабатывая антитела, и те из них, которые направлены против кальциевых каналов раковых клеток, начинают взаимодействовать с кальциевыми каналами в нервных окончаниях. Синдром, таким образом, является сигнализатором, указывающим врачам на необходимость обследования больного для поиска возможной опухоли. Это очень ценно, поскольку чем раньше начнется лечение рака легкого, тем лучше результат для больного. Все на местах и готовы к действию
Иногда говорят, что содержимое клетки напоминает гороховый суп, в котором химические вещества и органоиды распределены случайным образом. Однако такое сравнение очень далеко от истины. Внутри клетки все имеет свое место и удерживается в правильном положении с помощью высокоструктурированной белковой сети, называемой цитоскелетом. Это особенно хорошо видно в нервном окончании, где везикулы, содержащие нейромедиатор, раскрываются только в определенных местах — «активных зонах». Там несколько везикул находится в пристыкованном к мембране состоянии в полной готовности к немедленному выбросу нейромедиатора при поступлении сигнала. Кальциевые каналы располагаются рядом с местами стыковки так, чтобы кальцию нужно было пройти как можно меньшее расстояние после попадания в клетку. Это помогает передавать информацию очень быстро. В течение одной миллисекунды (тысячной доли секунды) электрический импульс достигает нервного окончания и приводит к выбросу примерно 30 млн молекул ацетилхолина. Эти молекулы быстро диффундируют через щель к своим рецепторам на мембране мышечной клетки и присоединяются к ним всего на пару миллисекунд, так что весь процесс завершается примерно за 20 миллисекунд.
Небольшое число пристыкованных везикул раскрываются «самопроизвольно», не дожидаясь поступления кальция, и стихийно выбрасывают нейромедиатор, однако их слишком мало, чтобы вызвать сокращение мышцы. Система, где все на местах и готовы к действию, позволяет при поступлении нервного импульса очень быстро выбросить нейромедиатор — свойство, за которое мы должны быть очень благодарны природе, именно оно позволяет нам быстро отдернуть руку от горячей ручки сковороды по сигналу мозга.
Небольшое число пристыкованных везикул раскрываются «самопроизвольно», не дожидаясь поступления кальция, и стихийно выбрасывают нейромедиатор, однако их слишком мало, чтобы вызвать сокращение мышцы. Система, где все на местах и готовы к действию, позволяет при поступлении нервного импульса очень быстро выбросить нейромедиатор — свойство, за которое мы должны быть очень благодарны природе, именно оно позволяет нам быстро отдернуть руку от горячей ручки сковороды по сигналу мозга.
Чтобы преодолеть огромный энергетический барьер, обычно не дающий мембране синаптической везикулы слиться с мембраной клетки, требуется сложный молекулярный механизм. Он включает в себя многочисленные белки, которые образуют стыковочный и выпускной комплекс, он действует как молекулярная повивальная бабка, облегчающая стыковку везикулы и слияние мембран. Как именно присоединение ионов кальция к этим белкам инициирует каскад конформационных изменений, приводящих к слиянию мембран везикулы и клетки, в точности не известно. Однако ингибирование функционирования содействующих процессу белков блокирует нервно-мышечную передачу информации. Токсин ботулизма, например, препятствует выбросу нейромедиатора и сокращению мышц путем разрушения определенного набора таких белков.
Не все синаптические везикулы готовы к выбросу нейромедиатора. Большинство из них находятся на некотором расстоянии от мест выброса и должны сначала подойти к мембране. Им нужно также пройти процесс созревания, подготовки к пристыковке и выбросу нейромедиатора. Кальций, помимо прочего, дает сигнал к мобилизации этого войска везикул. Отравленные дротики
После высвобождения из нервного окончания ацетилхолин диффундирует через крошечную щель к постсинаптической мембране мышечного волокна, где взаимодействует с ее рецепторами. Присоединение нейромедиатора вызывает конформационное изменение в ацетилхолиновом рецепторе, которое открывает ионный канал, обеспечивая одновременный приток ионов натрия и истечение ионов калия. Это понижает разность потенциалов на мышечной мембране и генерирует электрический импульс в мышечном волокне. Таким образом ацетилхолин передает потенциал действия от нерва к мышце, вызывая ее сокращение.
Действие большого числа лекарств и ядов основано на вмешательстве в функцию ацетилхолина и его мышечного рецептора. Самым известным является кураре — яд, используемый южноамериканскими индейцами для изготовления отравленных дротиков для духовых трубок. Кураре препятствует присоединению ацетилхолина к его рецепторам в мышечной мембране и, таким образом, не дает нерву стимулировать мышечное волокно. В результате у животного, пораженного дротиком, наступает полный паралич, и оно падает с дерева на землю, где его добивает охотник или оно само погибает от остановки дыхания. К счастью, кураре очень плохо усваивается пищеварительной системой, поэтому убитое с его помощью животное можно спокойно съесть.
Кураре когда-то использовался также в военном деле, и даже небольшая царапина от отравленной им стрелы несла смерть. Его очень боялись. В своем отчете об открытии Гайаны сэр Уолтер Рэли писал, что «те, кто был ранен, испытывали самые непереносимые муки в мире и умирали самой ужасной смертью». В зависимости от дозы жертва может оставаться в сознании, чувствовать боль, но быть неспособной двигаться или дышать — при отсутствии искусственной вентиляции легких она в конечном итоге умирает от удушья. Токсины, подобные кураре, использовались для отравления наконечников стрел и копий в течение сотен лет, а древнегреческое слово «токсикон», от которого берет начало термин «токсин», означает «лук» или «яд для стрел».
Кураре можно получить из многих южноамериканских растений, но лучше других известна вьющаяся лиана Chondrodendron tomentosum. Великий прусский исследователь Александр фон Гумбольдт был первым европейцем, описавшим процесс его приготовления в 1800 г. Он отметил, что сок лианы смешивают с вытяжкой из другого растения и получают густую клейкую субстанцию, которую можно наносить на наконечник стрелы. Несколько лет назад я попросила разрешения осмотреть отравленные дротики для духовых трубок, которые хранились в музее индейцев племени пит-ривер в Оксфорде. Мне разрешили взглянуть на них, но не позволили трогать и тем более демонстрировать на публичной лекции по соображениям безопасности. Я крайне удивилась, поскольку не сомневалась, что яд давным-давно разложился. Но это было не так — сравнительно недавно анализы показали, что кураре, приготовленный 112 лет назад, все еще сохраняет активность. Любопытно, что чистый токсин был впервые выделен из образца кураре, приготовленного индейцами и находившегося в Британском музее. Он хранился в бамбуковой трубке, и поэтому активный алкалоид назвали тубокурарином (кураре-в-трубке).
Известно, что группа недовольных граждан, отказывающихся от несения военной службы, готовила заговор против британского премьер-министра Ллойда Джорджа с намерением убить его с помощью кураре. Г-жа Элис Уилдон, ее дочери Винни и Хетти, а также ее зять Альфред Мейсон принадлежали к Братству против всеобщей воинской повинности, которое выступало против обязательной военной службы (введенной в результате очень больших потерь на Восточном фронте во время Первой мировой войны) и заключения под стражу отказников. Альфред, квалифицированный химик и лектор в Саутгемптонском университете, добыл кураре. В конце декабря 1916 г. в группу успешно внедрились два секретных агента, Алекс Гордон и Герберт Бут, которые представились отказавшимися от несения военной службы. Герберт Бут дал свидетельские показания о том, что ему выдали пневматическую винтовку и пули, обработанные кураре, и детально проинструктировали, как убить премьер-министра на пути в гольф-клуб Walton Heath. Кураре было достаточно для убийства нескольких человек, и, несмотря на утверждения, что вещество предназначалось для уничтожения собак, охранявших лагеря для содержания отказников, а не премьер-министра и что идею подали Бут и Гордон, Элис, Винни и Альфред были обвинены в организации заговора с целью убийства. Насколько успешным могло быть такое покушение, неизвестно. В равной мере неизвестно, действительно ли готовилось покушение или разыгрывался план правительства по дискредитации движения против всеобщей воинской повинности и антивоенных групп и не были ли Бут и Гордон в действительности провокаторами.
Более достоверно известно, что в США кураре выдавали агентам, выполнявшим секретные операции, на случай провала, чтобы они могли покончить с собой и избежать пыток. Когда Фрэнсис Гэри Пауэрс совершал свой полет на разведывательном самолете U2 над территорией России во времена холодной войны, в его арсенале был серебряный американский доллар с крошечным выступом сбоку. Выступ закрывал тонкую острую иглу с желобком на конце, покрытую коричневым вязким веществом, которое, по словам Пауэрса, представляло собой кураре. Так ему сказали по крайне мере. Когда Пауэрса сбили и взяли в плен, русские нашли этот доллар и испытали его действие на собаке. Она перестала дышать через минуту после укола и умерла спустя еще полминуты. Неизвестно, правда, только ли кураре был на кончике иглы — уж больно быстро действовал яд.
Болиголов пятнистый (Conium maculatum) содержит целый ряд алкалоидов, самый сильный из которых, кониин, действует подобно кураре, блокируя активность ацетилхолина и парализуя дыхательные мышцы. Это растение столетиями использовалось для приведения в исполнение смертных приговоров в Европе. Его самой знаменитой жертвой был Сократ, чья смерть описана в «Федоне»[19], где в деталях показано развитие паралича — от ступней до грудной клетки[20].
Препараты, подобные кураре, например векуроний, нередко используют при оперативных вмешательствах в качестве мышечного релаксанта, облегчающего работу хирурга и позволяющего снизить уровень наркоза. Это особенно важно в хирургии брюшной полости, поскольку сокращение мышц живота может затруднить доступ к нужному органу. Хотя дыхательные мышцы меньше всего подвергаются действию кураре, пациентам обычно делают искусственную вентиляцию легких для облегчения дыхания. Недостатком использования препаратов, подобных кураре, является то, что при неадекватной анестезии пациент может находиться в сознании, но не способен двигаться, говорить или иным образом сообщить о своих страданиях. В США такое ежегодно случается с 0,1% пациентов во время операций — примерно с 25 000 человек. Около трети из них могут чувствовать боль, связанную с операцией, а остальные осознают, что с ними происходит, не ощущая боли. Особенно часто эта проблема возникает при кесаревом сечении, когда применяют пониженный уровень анестезии во избежание воздействия наркоза на нерожденного младенца. Нервно-паралитический газ