Одиночные каналы
Так, для фоторецептора предельно совершенная чувствительность характеризуется восприятием и реагированием на 1 квант света. Это, в принципе, возможно, если энергия кванта используется лишь для запуска достаточно экзэргонического процесса— типа инициации лавинного перехода из «предварительно заряженного», нестабильного состояния в стабильное. Однако именно так и происходит возбуждение клетки. Сначала создается неравновесное, «напряженное», «инверсное» распределение ионов по обе стороны мембраны. А затем это напряженное состояние «разряжается» — распространяется по мембране волна возбуждения.
Следовательно, один квант света в принципе должен быть способен вызывать лавинную разрядку инверсного распределения ионов в клетке. Для этого нужен микромасштабный рецептор, ключевой механизм. Триггерная, включающая — выключающая система, реагирующая на один квант, может быть лишь молекулярных размеров. Элементарный рецепторный механизм должен представлять собой, например, макромолекулу с двумя конформационными состояниями — одно, соответствующее «открыванию», другое — «неоткрыванию» лавинного разряда — запуска волны возбуждения.
Чувствительность такого молекулярного триггера ограничивается тепловым шумом, беспорядочно и напрасно включающего лавинный разряд. Таким образом, триггерная макромолеку-лярная система должна иметь два термодинамически равновероятных состояния, разделенных минимальным кинетическим барьером. Для макроскопической системы эти условия означают область фазового перехода. Мы рассмотрим их подробнее в следующей главе. В механизме возбудимых мембран такие микроскопические, молекулярные триггеры обнаружены несколько лет назад и стали широко известны под названием «одиночные каналы».
При исследовании скачков тока мы впервые получили возможность «визуализации» функционирования отдельных макромолекул. Механизмы функционирования и природа одиночных каналов интенсивно изучаются в настоящее время.
Теперь наш гипотетический живой эллипсоид покрыт не просто ресничками, а ресничками, сочетающими в себе свойства органелл движения со свойствами рецепторов химических, световых и механических сигналов. Это странное существо имеет множество глаз, ушей, ноздрей и языков. Ясно, что дальнейшая эволюционная задача — это выбор дискретных зон локализации тех или иных рецепторов. А это связано с проблемой передачи управляющих команд от рецепторов к движителям. Последняя задача вызывает к жизни нервную систему.
Пространственное разделение рецепторов и исполнительных механизмов — двигательных органелл — делает необходимым специализированную связь между ними. Возникает задача преобразования сигналов: специфическая реакция рецепторов на свет, звук н т. п. должна преобразовываться в сигнал, передаваемый по протоплазме к соответствующей ундулоподий. К началу этой стадии эволюции организмы располагают только одним механизмом точного адресования сообщений, а именно, химической специфичностью.
Рецепторы, восприняв специфический сигнал, должны выделять вещество, специфически изменяющее двигательную активность других, не рецепторных ундулоподий. Способ доставки такого вещества адресату — диффузия. Гарантией правильности адреса служит химическая специфичность: адресат сам выбирает вещество, являющееся носителем информации о возбужденном состоянии рецептора. Диффузия в пределах клетки, т. е. организма с размерами порядка сотен микрон, обеспечивает довольно высокую скорость передачи сигнала; промежуток времени между срабатыванием рецептора и поступлением вещества к ресничке порядка секунды.
Однако по уже рассмотренным выше причинам диффузия препятствует строгой направленности сигналов. Ресничек много, все они одинаковые, но расположены на разных участках поверхности нашего эллипсоида. Поэтому при выделении рецептором регуляторного вещества биения всех ресничек будут усиливаться или ослабляться.