Сложные механизмы эволюции
Существует хорошо известный способ передачи сообщений посредством телеграфа. Почему же эволюция не использовала этот принцип? В самом деле, для чего эволюция создала столь сложные механизмы проведения нервного импульса — посредством волны деполяризации, волны изменения проницаемости, волны конформационной перестройки? Мало того, что они сложны, они еще и не могут обеспечить большую скорость. Ответ очень прост — прямое прохождение электрического сигнала по нерву невозможно в силу непреодолимых биохимических препятствий; нервы можно было создать в ходе эволюции лишь биохимическим путем, т. е. из водных растворов солей, белков и т. д., заключенных в фосфолипидную оболочку. Сопротивление даже самого электропроводного раствора соли на 7—8 порядков (!) больше сопротивления металла. Поэтому телеграфный принцип передачи сообщений, а именно, передача низковольтного, слабого импульса тока по проводу от источника к приемнику здесь не годится. Не годится по нескольким причинам.
Одна из них — невозможность создания импульса с достаточно высоким напряжением, способного пробиться по жидкостному проводнику — трубе с протоплазмой. Дело не в технической неосуществимости высоковольтного разряда — биофизические батареи электрических рыб показывают, что в принципе это возможно. Разности электрических потенциалов, превышающие 0,4 в, уже не годятся из-за электрохимических эффектов — электрохимического восстановления кислорода и других веществ, а затем при несколько большей разности потенциалов и из-за электролиза воды.
Будучи жестко ограничены верхним пределом разности потенциалов, мы сталкиваемся с невозможностью уменьшить в должной степени сопротивления и путем увеличения толщины проводника. Удельное сопротивление протоплазмы порядка 100 ом/см. Следовательно, протоплазматический проводник диаметром порядка 10 мк будет иметь удельное сопротивление порядка 100 Мом/см. Поскольку по аналогии с телеграфом сопротивление принимающего аппарата должно быть значительно больше сопротивления провода, в клетке должны были бы содержаться вещества с сопротивлением слоя толщиной в несколько сот А порядка 108—1010 ом, т. е. вещества, являющиеся очень хорошим изоляторам.
Таким образом, прямое проведение сигнального электрического импульса по нервному волокну с диаметром клеточного масштаба невозможно. Можно лишь пожалеть об этом; ведь по телеграфу сообщения передаются очень быстро.
Значит (пока вопрос о нервах-световодах не решен) мы можем рассматривать лишь одну возможность, а именно, проведение сигналов по нерву посредством волны структурной перестройки. Ясно, что и здесь под давлением искусственного отбора рано или поздно должно достигаться предельное совершенство, т. е. предельно возможная скорость проведения незатухающего сигнала по нерву.
Скорость проведения у позвоночных животных оказывается достаточно высокой вследствие миелинизации нервного волокна с перехватами Ранвье через каждые 1 —2 мм, а у беспозвоночных животных, нуждающихся в возможно более быстром проведении нервного импульса,—вследствие образования предельно толстых (до 1 мм) нервных волокон.
Как отмечалось, в механизме проведения сигналов по нерву посредством волны деполяризации источником необходимой энергии служит неравновесное состояние градиентов концентрации катионов— калия, натрия, кальция. Скорость проведения нервного импульса зависит от скорости изменения этих градиентов, т. е. от быстроты конформационной перестройки мембранных компонентов. По мнению Катца, «скорость распространения волны деполяризации зависит от продольной электропроводности внутренней области аксона и поэтому она тесно коррелирует с толщиной волокна. Как известно, один из способов увеличения скорости передачи сигналов состоит в уменьшении осевого сопротивления кабеля путем увеличения диаметра волокна. Именно это решение избрала природа для удовлетворения потребности в высокоскоростной передаче импульсов у некоторых беспозвоночных. Например, быстрое движение кальмара при бегстве от опасности контролируется небольшим числом гигантских аксонов, иннервирующих обширную мускулатуру его мантии, которая действует как реактивный двигатель. Однако для животного, которому помимо быстроты реакции необходимо и наличие огромного числа каналов для передачи множества сенсорных сообщений и обеспечения двигательных реакций, гигантские аксоны оказались бы непригодными. Ясно, например, что в зрительном нерве, где должно находиться больше миллиона параллельных аксонов для передачи зрительной информации просто не хватило бы места для большого числа гигантских волокон. Решением, найденным нервной системой позвоночных, явилось образование миелинизиро-ванного аксона, в котором кабельные потери сильно снижены благодаря миелиновой оболочке».