Большинство из нас знают, что при электроэнцефалограмме записывается именно электрическая активность мозга, и тем не менее интуитивно электричество кажется чем-то, не имеющим отношения к живым существам. Когда при описании клеточных процессов наталкиваешься на фразу «ток проходит по клетке», возникают вопросы: что именно по ней проходит, куда и как?
Ответы на эти вопросы — в этом и следующих постах про электричество в живых клетках.
По определению, электрический ток — это перенос заряда с помощью движения заряженных частиц. Сразу возникает картина того, как текут частицы и вместе с собой переносят заряд: куда дошла первая из «текущих» частиц, туда заряд и дотек. Но на самом деле частицам не нужно далеко ходить, чтобы перенести заряд, потому что рядом обычно есть другие заряженные частицы, которым этот заряд можно передать.
Физически это проявляется в том, что первая частица переместилась под действием тока в каком-то направлении, наткнулась там на другую частицу с таким же зарядом и оттолкнула ее. Почему она оттолкнула именно частицу того же заряда, а не противоположного? Потому, что именно одноименные заряды отталкиваются.
Первая частица после этого останавливается, потратив энергию на толкание, зато вторая начинает двигаться в том же направлении, куда двигалась первая, неся переданный ею заряд.
Больше всего это похоже на движение мобиля из шариков: самый левый шарик стукнул по ближайшему к нему, тот задвигался и сразу наткнулся на следующий, и таким образом заряд в виде движения шариков вправо почти незаметно передается между ними, пока не дойдет до самого правого. Этому шарику уже некому передавать заряд, он ни на кого не натыкается и его движение будет заметным. На картинке к этому посту передающийся шариками мобиля заряд показан в виде ракеты.
Такого общего понимания процесса передачи заряда достаточно, чтобы заглянуть в живую клетку и посмотреть, какие токи в ней бывают. Удобнее это делать на примере НЕЙРОНА – нервной клетки, по которой ток может передаваться на огромные по клеточным меркам расстояния. Некоторые нейроны твоего тела имеют отростки длиной более метра! Тела таких нейронов находятся в спинном мозге, а их отростки доходят до больших пальцев ног.
Когда ты смотришь на свою ногу и шевелишь пальцами, ты видишь результат передачи сигнала через все тело: от головного мозга, где он зародился, и до самого кончика пальца. При этом как только ты решаешь пошевелить пальцем, он тут же шевелится, и кажется, что сигнал передался мгновенно. Такая быстрота возникает как раз за счет того, что сигнал передается протекающим через клетки электрическим током.
В стенках нейрона, которые называются МЕМБРАНОЙ, есть КАНАЛЫ, по которым могут двигаться заряженные частицы (их ты видишь на картинке к посту). Напрямую сквозь мембрану почти ничего пройти не может, и вход-выход самых разных веществ происходит через специальные «ворота» в ней.
Давай рассматривать пока только один вид частиц: положительно заряженные ИОНЫ НАТРИЯ. Каналы в мембране, как настоящие ворота, могут открываться и закрываться. Когда открываются НАТРИЕВЫЕ КАНАЛЫ, через них в нейрон врывается поток ионов натрия, внося таким образом положительный заряд. Это и есть входящий ток.
После того, как заряженные частицы вошли в нейрон, ток начинает распространяться в разные стороны. Но при этом он не идет вглубь клетки, а остается возле мембраны. Причина этого в том, что между внешней и внутренней сторонами мембраны существует РАЗНОСТЬ ПОТЕНЦИАЛОВ.
Клеточная мембрана является чем-то вроде конденсатора: заряд на одной ее стороне заметно меньше, чем на другой. Эта разница зарядов и называется разностью электрических потенциалов. Для того, чтобы существовала такая разница, необходимо, чтобы снаружи было больше положительно заряженных частиц и меньше отрицательно заряженных, чем внутри клетки.
Работает разность потенциалов так:
* до открытия натриевых каналов снаружи клетки заряд был более положительным, чем внутри
* когда ионы натрия заходят в клетку, с внешней стороны мембраны общий положительный заряд уменьшается, а с внутренней стороны увеличивается
* вошедшие в клетку ионы натрия притягиваются к мембране, через которую они вошли, потому что за ней осталось множество частиц, имеющих отрицательный заряд, а разноименные заряды притягиваются друг к другу.
Войдя в клетку, ионы натрия не прилипают к мембране, а расплываются от места входа в разные стороны. Это уже другой ток — проходящий внутри клетки. Только далеко ионы натрия не уплывут, потому что с внутренней стороны мембраны находится много других положительно заряженных ионов, и передаваться заряд будет от одной частицы к другой — так же, как в примере с мобилем.
Чтобы наблюдать направленное движение тока, удобно пропустить его по АКСОНУ – длинному и тонкому отростку нейрона. Ученые для этого впрыскивают в середину аксона ионы натрия, и тогда из этого места в обе стороны течет ток. А в живых клетках ток возникает в теле нейрона у основания аксона, и движется в одном направлении – по всей длине этого отростка до самого его кончика.
Подведем итог:
? сначала был входящий ток, то есть положительный заряд переместился внутрь нейрона вместе с ионами натрия;
? из-за него возник внутренний ток: перемещение ионов, распространяющее положительный заряд внутри клетки возле мембраны.
Про то, почему сигналы в нашей нервной системе передаются в одном определенном направлении, а не расплываются во все стороны, расскажем в следующем посте о токах в живой ткани.