Распространение нервных импульсов

Нервные импульсы распространяются при перемещении ионов через мембрану нервной клетки и передаются из одной нервной клетки в другую с помощью нейромедиаторов

 

1729, ^ СУТОЧНЫЕ РИТМЫ сер. XX

ХІХ-ХХ ^ РАСПРОСТРАНЕНИЕ НЕРВНЫХ ИМПУЛЬСОВ

1937 _• ГЛИКОЛИЗ И ДЫХАНИЕ

сер. _• ИММУННАЯ СИСТЕМА

Х

В результате эволюции нервной системы человека и других животных возникли сложные информационные сети, процессы в которых основаны на химических реакциях. Важнейшим элементом нервной системы являются специализированные клетки нейроны. Нейроны состоят из компактного тела клетки, содержащего ядро и другие органеллы. От этого тела отходит несколько разветвленных отростков. Большинство таких отростков, называемых дендритами, служат точками контакта для приема сигналов от других нейронов. Один отросток, как правило самый длинный, называется аксоном и передает сигналы на другие нейроны. Конец аксона может многократно ветвиться, и каждая из этих более мелких ветвей способна соединиться со следующим нейроном. Во внешнем слое аксона находится сложная структура, образованная множеством молекул, выступающих в роли каналов, по которым могут поступать ионы — как внутрь, так и наружу клетки. Один конец этих молекул, отклоняясь, присоединяется к атому-мишени. После этого энергия других частей клетки используется на то, чтобы вытолкнуть этот атом за пределы клетки, тогда как процесс, действующий в обратном направлении, вводит внутрь клетки другую молекулу. Наибольшее значение имеет молекулярный насос, который выводит из клетки ионы натрия и вводит в нее ионы калия (натрий-калиевый насос).

Когда клетка находится в покое и не проводит нервных импульсов, натрий-калиевый насос перемещает ионы калия внутрь клетки и выводит ионы натрия наружу (представьте себе клетку, содержащую пресную воду и окруженную соленой водой). Из-за такого дисбаланса разность потенциалов на мембране аксона достигает 70 милливольт (приблизительно 5% от напряжения обычной батарейки АА).

Однако при изменении состояния клетки и стимуляции аксона электрическим импульсом равновесие на мембране нарушается, и натрий-калиевый насос на короткое время начинает работать в обратном направлении. Положительно заряженные ионы натрия проникают внутрь аксона, а ионы калия откачиваются наружу. На мгновение внутренняя среда аксона приобретает положительный заряд. При этом каналы натрий-калиевого насоса деформируются, блокируя дальнейший приток натрия, а ионы калия продолжают выходить наружу и исходная разность потенциалов восстанавливается. Тем временем ионы натрия распространяются внутри аксона, изменяя мембрану в нижней части аксона. При этом состояние расположенных ниже насосов меняется, способствуя дальнейшему распространению импульса. Резкое изменение напряжения, вызванное стремительными перемещения ионов натрия и калия, называют потенциалом действия. При прохождении потенциала действия через определенную точку аксона насосы включаются и восстанавливают состояние покоя.

Потенциал действия распространяется довольно медленно — не более доли дюйма за секунду. Для того чтобы увеличить скорость передачи импульса (поскольку, в конце концов, не годится, чтобы сигнал, посланный мозгом, достигал руки лишь через минуту), аксоны окружены оболочкой из миелина, препятствующей притоку и оттоку калия и натрия. Миелиновая оболочка не

 

Соединения с другими нейронами

Структура нейрона. Нейроны — важнейшие элементы нервной системы. Эти удлиненные клетки передают нервные импульсы

 

непрерывна — через определенные интервалы в ней есть разрывы, и нервный импульс перескакивает из одного «окна» в другое, за счет этого скорость передачи импульса возрастает.

Когда импульс достигает конца основной части тела аксона, его необходимо передать либо следующему нижележащему нейрону, либо, если речь идет о нейронах головного мозга, по многочисленным ответвлениям многим другим нейронам. Для такой передачи используется абсолютно иной процесс, нежели для передачи импульса вдоль аксона. Каждый нейрон отделен от своего соседа небольшой щелью, называемой синапсом. Потенциал действия не может перескочить через эту щель, поэтому нужно найти какой-то другой способ для передачи импульса следующему нейрону. В конце каждого отростка имеются крошечные мешочки, называющиеся (пресинаптическими) пузырьками, в каждом из которых находятся особые соединения — нейромедиаторы. При поступлении потенциала действия из этих пузырьков высвобождаются молекулы нейромедиаторов, пересекающие синапс и присоединяющиеся к специфичным молекулярным рецепторам на мембране нижележащих нейронов. При присоединении нейромедиатора равновесие на мембране нейрона нарушается. Сейчас мы рассмотрим, возникает ли при таком нарушении равновесия новый потенциал действия (нейрофизиологи продолжают искать ответ на этот важный вопрос до сих пор).

После того как нейромедиаторы передадут нервный импульс от одного нейрона на следующий, они могут просто диффундировать, или подвергнуться химическому расщеплению, или вернуться обратно в свои пузырьки (этот процесс нескладно называется обратным захватом). В конце XX века было сделано поразительное научное открытие — оказывается, лекарства, влияющие на выброс и обратный захват нейромедиаторов, могут коренным образом изменять психическое состояние человека. Прозак (Prozac®) и сходные с ним антидепрессанты блокируют обратный захват нейромедиатора серотонина. Складывается впечатление, что болезнь Паркинсона взаимосвязана с дефицитом нейромедиатора допамина в головном мозге. Исследователи, изучающие пограничные состояния в психиатрии, пытаются понять, как эти соединения влияют на человеческий рассудок.

По-прежнему нет ответа на фундаментальный вопрос о том, что же заставляет нейрон инициировать потенциал действия — выражаясь профессиональным языком нейрофизиологов, неясен механизм «запуска» нейрона. В этом отношении особенно интересны нейроны головного мозга, которые могут принимать нейромеди-аторы, посланные тысячей соседей. Об обработке и интеграции этих импульсов почти ничего не известно, хотя над этой проблемой работают многие исследовательские группы. Нам известно лишь, что в нейроне осуществляется процесс интеграции поступающих импульсов и выносится решение, следует или нет инициировать потенциал действия и передавать импульс дальше. Этот фундаментальный процесс управляет функционированием всего головного мозга. Неудивительно, что эта величайшая загадка природы остается, по крайней мере сегодня, загадкой и для науки!

 

Репродуктивные стратегии

Есть две

противоположные репродуктивные стратегии — иметь многочисленное потомство при минимуме заботы о нем или же иметь небольшое число потомков, но с последующими серьезными «инвестициями»

 

Всем организмам приходится расходовать энергию и ресурсы на размножение. Как утверждает теория эволюции, природа берет на вооружение те репродуктивные стратегии, которые позволяют произвести наиболее преуспевающее (приспособленное) потомство — остающееся в живых до тех пор, пока оно само не оставит потомков. В действительности в природе существуют две противоположные стратегии — стратегия г и стратегия К, и выбор в пользу одной из них зависит от условий окружающей среды.

В среде обитания с постоянными условиями (или по крайней мере предсказуемыми для каждого времени года), для которой характерны лишь незначительные колебания биологической среды, размер популяций, как правило, более или менее постоянный. В такой среде успех размножения определяется, главным образом, конкуренцией между взрослыми особями, поэтому наиболее перспективной оказывается стратегия сосредоточения ресурсов в нескольких потомках и сохранения их до того момента, когда они смогут вступить в игру. Такая стратегия, наиболее полно представленная у приматов, затрачивающих немало времени и усилий на воспитание детенышей, называется стратегией К. (Название связано с тем, что, как было сказано выше, в этом случае размер популяции близок к потенциальной емкости экосистемы, обозначаемой символом К.)

Диаметрально противоположная стратегия реализуется в среде с непредсказуемыми условиями, или среде, в которой время от времени происходят неблагоприятные события, например крупные шторма или наводнения. В такой среде периодически наблюдается массовое вымирание с последующим быстрым ростом численности популяции, в отсутствие конкуренции. В периоды роста численности популяции между собой конкурируют в основном молодые организмы, поэтому наилучшей оказывается стратегия многочисленного потомства, готового занять освободившуюся нишу. Такая стратегия оправдывает себя даже во время периодических стихийных бедствий, поскольку летальный исход обычно связан не с конкурентными преимуществами, а с более или менее случайными событиями. Таким образом, забота о потомстве не дает никакого преимущества, поскольку выживание детенышей в реальности не зависит от вложенных в воспитание родительских усилий. В соответствии с этой так называемой г-страте-гией организмы производят крайне многочисленное потомство. И хотя лишь очень немногие представители этого потомства смогут выжить в нормальных обстоятельствах, оно быстро возьмет верх в условиях массового вымирания в других популяциях после природных катаклизмов. Примером видов, реализующих г-стратегию (г — символ, обозначающий скорость размножения), могут служить одуванчики, которые запросто «бросают на ветер» сотни семян и быстро захватывают территории с нарушенным грунтом. В неустойчивой окружающей среде популяция начинается с низкого уровня с последующим экспоненциальным ростом численности. Для вида, реализующего г-стратегию, гораздо важнее скорость размножения, нежели потенциальная емкость экосистемы.

 

Родственный отбор

Живые организмы могут действовать на благо родственным особям, поскольку такие действия способствуют передаче общих генов следующему поколению

•

ЗАКОНЫ МЕНДЕЛЯ ЗАКОН

1920-е

ХАРДИ—ВАЙНБЕРГА ДРЕЙФ ГЕНОВ

нач. 1960-х

ДНК

родственный отбор

1970-е

ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ЧАСЫ

ПРОЕКТ «ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА»

Проблема альтруизма традиционно вызывала много вопросов в теории эволюции. Например, обезьяна, обнаружившая приближающегося леопарда, может поднять крик, чтобы предупредить родичей, хотя при этом повышается риск для нее самой. Наиболее бесхитгюстньгй взгляд на естественный отбор заключается в том, что гены, побуждающие обезьяну подавать крики тревоги, со временем должны исчезнуть из популяции как снижающие приспособленность отдельной особи. Тем не менее альтруистическое поведение наблюдается у всех видов животных (включая человека). Почему так происходит?

Авторы теории родственного отбора предприняли попытку объяснить этот и другие загадочные аспекты поведения животных. Основная идея заключается в следующем: родственные индивидуумы имеют определенный набор общих генов. Так, у вас (как и у ваших братьев и сестер) половина генов унаследована от одного родителя, половина — от другого. Для эволюционной теории важно не выживание отдельных индивидуумов, а передача генов следующему поколению. Если у обезьяны, которая подняла крик при виде леопарда, в группе имеется, скажем, трое родных братьев или сестер, то с точки зрения статистики можно сказать, что в этой ситуации пожертвовавшая собой особь может передать следующему поколению больше генов, чем оставшаяся в живых. Как остроумно заметил эволюционный биолог Дж.Б.С. Холдейн (Т. В. 8. НаЫапе), «я бы положил свою жизнь за двух родных братьев или восьмерых кузенов».

Например, особенность репродукции пчел такова, что каждая пчелиная самка получает все отцовские и половину материнских генов. Это означает, что у рабочих пчел 75% генов будут общими (у млекопитающих, имеющих такую же степень родства, 50% общих генов). Поэтому, помогая сестре стать пчелиной маткой, рабочая пчела передаст следующему поколению больше генов, чем могла бы, имей она собственных дочерей.

Родственный отбор также объясняет гомосексуальность, встречающуюся у многих видов животных, включая человека. Поскольку, по определению, гомосексуальное поведение исключает передачу генов следующим поколениям, можно было бы ожидать его исчезновения еще в незапамятные времена. Одно из предложенных объяснений сохранения гомосексуальности было довольно точно названо теорией «помощника в гнезде». Согласно этой теории, если особь не производит потомства, но ее действия способствуют выживанию родственных особей, она сможет передать больше генов следующему поколению.

Явление родственного отбора до некоторой степени опровергает наши представления об эволюции. Вместо того чтобы руководствоваться приспособленностью индивидуумов, как делал Дарвин, нам предлагают руководствоваться приспособленностью генов. Такая точка зрения приводит к концепции «эгоистичного гена». Суть этой концепции в том, что для эволюции имеет значение передача генов следующим поколениям и что выживают те, чье поведение обеспечивает преимущество генам, хотя для самого индивидуума такое поведение может быть очень вредным. Или, как сказал один острослов, «курица лишь способ получить из одного яйца другое».

 

Самозарождение жизни

Живые организмы самопроизвольно возникают из неорганических веществ

 

Древний • самозарождение мир жизни

1828 • СИНТЕЗ МОЧЕВИНЫ

•

XIX — • ВИТАЛИЗМ нач. XX

ЦЕНТРАЛЬНАЯ ДОГМА

МОЛЕКУЛЯРНОЙ

БИОЛОГИИ

С самых давних времен люди полагали, что живые организмы появились из более простых веществ. Оставьте, например, кучу зерна под дождем, и она вскоре породит мышей; оставьте на улице мясо, и скоро по нему будут ползать личинки мух. В XVII веке Фран-ческо Реди оставлял мясо на улице в разных горшках — открытых, плотно закрытых, покрытых сеткой, — и доказал, что личинки никогда не появятся в мясе, укрытом от мух.

И хотя эксперимент Реди обрушил представление о том, что сложные организмы могут зарождаться самопроизвольно, открытие микроорганизмов в XIX веке привело ко второму рождению понятия самозарождения жизни. Даже разлагающиеся материалы, укрытые от мух, по всей видимости, производили на свет организмы, видимые под микроскопом. К 1860 году споры вокруг самозарождения жизни стали настолько жаркими, что Французская академия предложила премию любому, кто помог бы разрешить этот вопрос. Французский ученый Луи Пастер (см. микробная теория инфекционных заболеваний) выполнил

ряд тщательно подготовленных экспериментов, которые помогли окончательно решить проблему, и получил премию академии в 1864 году.

Пастер брал колбы с длинными узкими искривленными горлышками и наполнял их жидкой питательной средой. Среда доводилась до кипения, чтобы в ней были убиты все микробы, а стеклянное горлышко играло роль ловушки для спор грибов и других микроорганизмов, которые могли загрязнить жидкость. Пастер показал, что микробы появились только в колбах, горлышки которых были в последующем разбиты — то есть если в среду попали организмы, содержащиеся в воздухе.

По иронии судьбы в 1870-х годах возникли новые дебаты, в центре которых было предположительное самозарождение плесневых грибов в процессе брожения вина. Пастер еще раз показал, проведя убедительные эксперименты (в процессе которых он в стерильных условиях брал мякоть изнутри ягод винограда и изолировал ее от воздуха), что споры дрожжей переносятся воздухом и не зарождаются самопроизвольно в ткани винограда.

Сегодня результат долгих дебатов о самозарождении жизни обобщен в лозунге биологов: «Жизнь происходит из жизни».

 

ФрАННЕОКО реди (Francesco Redi, 1626-97) — итальянский врач, биолог, лингвист и поэт. Родился в Ареццо. Получив образование в области философии и медицины в Пизе, вернулся в Ареццо, где стал главным медиком