Олексій Болдирєв про електрику в організмі людини

Існує така наука як біофізика, яка займається проблемами пояснення фізичних основ життя і того, як взагалі наші живі організми використовують фізичні закономірності нашого всесвіту для того, щоб жити краще, веселіше, отримувати більше задоволення від життя.

Біофізика – це дуже широка наука, але вона досить молода, вона займається дуже різними проблемами. Наприклад, як рослини сприймають світло від нашої найближчої зірки – Сонця, як клітини навчаються отримувати енергію з різних джерел, як від тепла так і від якихось неорганічних солей, від інших тварин та рослин. Також біофізика займається проблемами електрики, живої електрики, яка, як виявляється, є у кожному живому організмі від простішої бактерії до людини.

Звідки ж ця електрика береться? Насправді, до кінця 18 століття ніхто не уявляв, що взагалі існує електрика, а тим більше у живих організмах. Тим не менше два вчених, італійські вчені, імена яких залишилися з нами назавжди – це Луїджі Гальвані (про гальванічний елемент всі чули) та Алессандро Вольта (220 вольтів чекають на нас завжди в розетці). Вони були першими, хто доводив та сперечався, чи є ця біоелектрика у живих організмах і зрештою виявилося, що дійсно вона є. У наших мережах тече електричний струм. Електричний струм – це, грубо кажучи, потік електронів, негативних частинок. Дивна ситуація у живого, відносно цього, що електричний струм переноситься не негативними частинками, а позитивними частинками, позитивно зарядженими іонами. Іони – це наші звичайні мінерали, які ми приймаємо кожен день з їжею, хтось приймає щось додатково, але це в основному натрій, калій, кальцій і хлор – основні чотири речі. І ось якщо ми поглянемо на будь яку живу клітину – вона оточена оболонкою, це клітинна мембрана. Вона складається з ліпідів – це жирні молекули, вони не проникні для води, непроникна ця мембрана для цих заряджених частин. Ось ця непроникність дає такий результат, що іони не можуть спокійно пройти, а тим не менше в клітині завжди інша кількість іонів, ніж на поверхні клітини. Зрозуміло, ми знаємо, що знаходиться зовні нашої клітини – це кров, лімфа, міжклітинна рідина й ось так виявляється, що у зовнішніх цих рідинах дуже багато натрію і хлору. Відповідно натрій хлор – це наша сіль звичайна, кухонна, яку ми використовуємо і кров, ми знаємо, на смак солона, а ось в середині клітини натрію і хлору дуже мало. В той же час в середині клітини багато калію, а зовні калію майже нема. В 45 разів, приблизно, різниця по калію, в 10 разів, тільки в інший бік, різниця по натрію. Крім того, якщо ми раптом захочемо проробити дірочку в мембрані, то концентрації і натрію і калію негайно вирівнюються, бо кожен іон хоче піти туди, де його мало, їм тісно всім разом, вони хочуть або втекти з клітини, як хоче це зробити калій, або зайти в клітину, як хоче це зробити натрій, кальцій теж хоче зайти в клітину. Відповідно, якщо ми цю дірочку проробимо, то концентрації дуже скоро вирівнюються, але якщо концентрації натрію і калію вирівнюються і це не виправляється клітиною, клітина помирає. Насправді оця різниця – це і є ознака життя, це є фактично важливий критерій визначення того, що клітина жива.

Навіщо клітині це потрібно і як взагалі вона це робить? Щоб через цю непроникну мембрану все-таки проходили натрій і калій, потрібно якийсь або канал, або транспортер. Транспортер, чи як ми фізики його називаємо – помпа, насос. Дійсно, це такий насос, це білочок, який бере і закачує калій в середину клітини, а натрій виганяє і він працює весь час. Ви розумієте, що насос – це така штука, яка вимагає затрат якоїсь енергії. Звичайно, насоси клітинні, звичайно не металеві, не дерев’яні, а білкові насоси. Ці білки вимагають енергії, енергія у нас в клітині запасається у вигляді аденозинтрифосфорної кислоти, АТФ, про який багато людей чули і цих молекул АТФ для цих насосів треба дуже багато. Щоб ви собі уявляли, це більше ніж 30 відсотків всієї енергії, яку споживає кожна клітина витрачається лише на ось цей процес – вигнання натрію і загнання в середину калію. Тому ми там щось робимо, думаємо, спимо, їмо, а все одно кожна клітина має вигнати натрій і загнати калій.

Навіщо таке дороге задоволення клітині? А воно тільки для того, щоб в певний момент натрій і калій рухалися самі собою. Тобто, якщо тут клітина витрачає багато зусиль, вона накопичує якусь енергію, а оця енергія накопичується у вигляді електричної енергії. Натрій і калій заряджені, в середині клітини багато негативного заряду, натрій який виганяється на зовні – позитивний, таким чином на мембрані на цій перетинці утворюється щось на кшталт батарейки. Тобто, зовні плюс з низу мінус і таким чином у нас весь час заряджена батарейка, створюється потенціал як у якогось акумулятора, який ми використовуємо для ліхтарика чи для музичного плеєра. Але потенціалу недостатньо, треба щоб пішов струм, коли піде струм, щось може статися, ввімкнутися світло чи музика заграти – тут теж саме. Має бути провідник, через який піде струм і цим провідником є інший вид білків – це канали. Канали – це дуже прості білки, це дірочка, яка може відкриватися або закриватися. Дірочка з воротами. Відкривається – закривається. Вони не вимагають ніякої для цього енергії. Просто входить або не входить. Як відкрити ворота? Всі тонкощі цих каналів – це ворота. Ворота можуть відкриватися на зміну температури, ворота можуть відкриватися на зміну електричного струму, ворота можуть відкриватися навіть на механічну дію на клітину, на клітину потиснули, вона зігнулася, шматочок мембрани штурхонув ці ворота, вони хоп, і відкрилися. Багато воріт відкриваються хімічними речовинами, молекулами. Коли ми з’їдаємо гострий перець, молекула з цього перцю потрапляє до нас на язик і одразу відкриває канал, який відповідає також на тепло, одночасно ми відчуваємо і гаряче, якщо ми багато цього перцю покладемо на язик, то ми будемо навіть біль відчувати, бо цей канал також активується болем. Відповідно, ворота можуть відкриватися різним чином і коли клітині потрібно, вона увесь цей запас заряду, який у неї зберігся – оця батарейка на мембрані – просто відкриває ворота і натрій входить в середину. Коли натрій входить в середину, в середині клітини стає дуже багато позитивного заряду. Клітина таким чином дізнається, що щось сталося, щось змінилося і негайно починає виконувати якусь роботу. А яку роботу може виконувати клітина? Якщо до нервової клітини прийшов цей сигнал, значить вона надішле електричний імпульс далі по своїх довгих відростках кудись до інших нервових клітин у мозок або навпаки, до м’язів. Якщо до м’яза прийшов цей сигнал – цей струм передасться м’язам і м’язи скоротяться. Якщо це прийшло, наприклад до слинних залоз, чи будь-яких інших залоз, вони негайно починають викидати свій секрет, починають виділяти якусь рідину, якісь речовини назовні, чи на поверхню тіла, чи в середину. Але тепер клітина працювати не може, у неї дуже багато позитивного заряду в середині, батарейка розрядилася, треба зарядити її знову. Для цього оці канали, через які зайшов натрій, назвемо їх натрієві канали, закриваються, а відкриваються калієві канали. Калію легше вийти на зовні, бо там його майже немає, плюс позитивний заряд в середині й він просто витискає зайвий калій, позитивні заряди відштовхуються і калій виходить на зовні. Таким чином, після цього і закінчується цей цикл збудження, як кажуть фізіологи, активації клітин, далі це все закривається і тепер у нас в середині клітини багато натрію, а зовні багато калію. Це не є нормальним, тому насоси наші продовжують працювати з іще більшою активністю, і поки ця клітина ніби відпочиває, більше не робить жодних дій, насоси все ще працюють, працюють і працюють, викачуючи цей натрій.

Чому так сталося, що натрію більше зовні? Справді це дуже просто пояснюється, бо перші організми були одноклітинні й жили в океані, у морі, де звісно багато солей натрію і так сталося, що склад нашої крові по натрію і хлору дуже схожий на склад морських вод. Насправді, перші організми відокремилися від отого всього, що плавало в океані, створило своє внутрішнє середовище, але воно було пристосовано саме до морського проживання. Але потім, коли в ході еволюції утворилися багатоклітинні організми, вони хочеш не хочеш, вимушені були своє внутрішнє середовище багатоклітинного організму підробити під оце море, створити кров і лімфу, саме таку за хімічним складом, щоб вона влаштовувала їхнє внутрішнє, вже пристосоване до моря середовище. Так що фактично у нашій крові течуть води прадавнього океану. Але все таки є ще електричні механізми в клітинах, які базуються саме на русі негативно заряджених частинок, електронів і саме завдяки ним в мітохондріях і робиться ота АТФ, яку потім ця наша клітина використовує у вигляді енергії, але про це, напевно, інша історія.