Новое
в жизни,
науке,
технике
Подписная
научно -
популярная
:ерия
4’90
Е. А. Либерман
КАК РАБОТАЕТ
ЖИВАЯ
КЛЕТКА
НОВОЕ В ЖИЗНИ, НАУКЕ, ТЕХНИКЕ
ПОДПИСНАЯ НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ СЕРИЯ
БИОЛОГИЯ
4/1990
Издается ежемесячно с 1967 г.
Е. А. Либерман,
доктор биологических нгук
КАК РАБОТАЕТ
ЖИВАЯ
КЛ ЕТКА
(нейрон)
110946
Издательство «Знание» Москва 1990
ББК 28.05
Л 55
ЛИБЕРМАН Ефим Арсентьевич — доктоо биологических на-
ук, лауреат Государственной премии СССР за работы по био-
энергетике. Автор более 150 научных работ в области био-
физики мембран и биокибернетики. Работает в Институте
проблем передачи информации АН СССР.
Редактор. И. М. ТУЖ11ЛИНА
Либерман Е. А.
Л 55 Как работает живая клетка (нейрон). — Мл
Знание. — 1990. — 64 с. — (Новое в жизни, науке,
технике. Сер. «Биология»; № 4).
ISBN 5-07-000739-4
15 к.
Что делает клетку живой и каким законам она подчиняется?
Автор популярно, но не отклоняясь от строгого научного смысла,
рассказывает о внутрннейронных молекулярных устройствах. Он по-
казывает. как с помощью внутриклеточных регулирующих систем раз-
личные элементы клетки мсгут быть объединены в одно целое, об-
ладающее свойствам к живого.
1903030000
ББК 28.05
ISBN 5-07-000739 4
© Либерман Е. А., 1990 г.
В ведение
Каждый из нас рано или поздно задает себе вопрос:
что такое жизнь? Ответ на него, время, которое мы уде-
ляем его решению, и пути поиска этого решения у каж-
дого разные. Поскольку биологию называют наукой о
жизни, стало быть, существуют специалисты, которые
должны хотя бы пытаться ответить и строго научно, и
популярно — что такое жизнь с точки зрения науки?
За последние десятилетия биология весьма продвину-
лась в изучении деталей устройства живых существ. Мы
уже многое знаем о механизмах наследственности, син-
тезе и работе сложнейших молекулярных структур, спо-
собах нервной и гормональной регуляции организма, его
энергетике.
Каждая структурная единица живой клетки оказа-
лась так сложно устроена, что ее изучение потребовало
усилий многих исследователей и повлекло за собой уз-
кую специализацию. И.как результат этой специализа-
ции развился некий научный пессимизм, порой перехо-
дящий в испуг, С упорством крота современный биолог
все глубже зарывается в решение «своей» проблемы. Не-
редко как на безумца смотрят на того, кто пытается
подняться вверх и оттуда, оглядевшись, спросить себя
и других — так что же такое жизнь? К сожалению, на
практике ничем хорошим такие попытки не кончаются.
И все-таки попробуем еще раз.
Все живое состоит из клеток. Поэтому для того что-
бы ответить на волнующий всех вопрос, надо понять,
как работает живая клетка. Для этого мало понять, из
чего она состоит и как устроены отдельные ее системы.
Необходимо осмыслить, почему она действует как целый
единый организм, т. е. как работает ее управляющая си-
стема. И здесь возникает несколько принципиальных
трудностей. Молекулярная управляющая система клетки
отличается от привычных современной технике управ-
ляющих систем наличием физических ограничений уп-
равления. Но главная трудность в другом. Когда моле-
кулярная управляющая система клетки решает задачи,
процесс решения требует изменения внутри самой си-
стемы, т. е. решение меняет задачу. Чем сложнее проб-
лема, тем, кажется, больше должно быть это влияние. И
3
на первый взгляд непонятно, где же выход. Однако вы-
ход все-таки есть — изучать сложные задачи, которые
решают нервные клетки. Дело в том, что это задачи це-
лого организма и внутринейронные движения не меняют
этих проблем.
Предлагаемая читателю брошюра суммирует много-
летние исследования автора и его сотрудников, которые,
хотя и были проделаны в, казалось бы, далеко отстоя-
щих друг от друга областях биологии, постепенно сли-
лись в стройную картину устройства живой клетки Мо-
лекулярные структуры живой клетки так сложны, что,
кажется, невозможно говорить о них просто. Однако это
только кажется. Настоящая наука состоит в отыскании
простоты плана.
В первой части брошюры «Нейрон» на примере соб-
ственного пути в дебрях науки я постараюсь показать,
как сложен поиск простоты. Как удалось понять, что
мозг работает главным образом на внутринейронных мо-
лекулярных устройствах (где несущественны физические
ограничения и влияние вычисления на задачу) и что для
описания живого надо изменить и физику, и математи-
ку.
Размеры брошюры не позволили нам описать в дета-
лях строение нервных клеток. Схему строения нейрона
мы поместили на обороте обложки. К тому же подпис-
чики серии «Биология» получили в 1987 г. брошюру док-
тора биологических наук Н. С. Косицына «Нервная
клетка — здоровая и больная», в которой нашли отра-
жение современные представления о микроструктуре и
цитохимии нервной клетки, о функциональном назначе-
нии отдельных ее компонентов. Кроме того, о строении
нервной клетки есть сведения в любом учебнике по био-
логии. Мы же хотим рассказать о проблемах, которые
пока в учебниках обсуждать не решаются.
Г ...... -
1	В 1978 г. в серии «Биология» вышла брошюра Е. А. Либер-
мана и его сотрудников С. В. Мининой и Н. Е. Шкловского-Корди
«Электричество и управление живой клетки». Ефим Арсентьевич—
лауреат Государственной премии за работы по биоэнергетике. По-
этому я попросила его написать о том, как ученые приходят к от-
крытию. В то время он встретил предложение скептически. Прешло
10 лет, я почти забыла о своем предложении, но он, оказывается,
не забыл и принес рукопись. Поскольку ее объем вдвое превышает
объем одной брошюры, мы решили разделить рукопись надвое:
первая часть «Нейрон», вторая — «Цитоскелет», (подписчики полу-
чат ее в конце года). — Прим. ред.
Химия живой клетки
Подчиняется ли клетка законам химии?
К середине нашего столетия удалось доказать, что ни-
каких особых только для живого характерных атомов
в клетке нет. В основе клеточной химии лежат уг-
леродные соединения. Атомы углерода связываются друг
с другом прочными химическими связями, образуя раз-
ветвленные цепочки. Углерод может образовывать раз-
нообразные связи с другими основными атомами, входя-
щими в состав живого, — с азотом и кислородом. Два
столетия прошло с тех пор, как из природных источни-
ков выделили лимонную, яблочную и молочную кислоты.
Химики тогда не умели синтезировать такие молекулы,
поэтому соединения углерода назвали органическими.
Но уже через 50 лет из «неживого праха» синтезирова-
ли первое природное соединение — мочевину. Так был
опровергнут первоначальный смысл названия «органиче-
ское соединение». Сегодня соединений углерода извест-
но гораздо больше, чем соединений всех остальных эле-
ментов Периодической таблицы Менделеева. Большая
их часть не встречается в живой клетке.
Еще в начале века вспоминали о «жизненной силе».
Этот запоздалый витализм объяснялся медленным раз-
витием биохимии. К тому времени удалось расшифро-
вать структуру только небольших молекул. Среди них
особенно важны молекулы, из которых как из деталей
машины построены макромолекулы жизни. Главным
классом макромолекул долгое время считали белки.
Именно белки катализируют реакции и умело руководят
биохимической кухней клетки. Спор о том, можно ли
считать ферменты макромолекулами, кончился после
того, как чистый фермент уреазу удалось закристалли-
зовать. Еще 15 лет потребовалось, чтобы расшифровать
структуру первого закристаллизованного белка.
До 1940 г. большинство биохимиков считало, что ге-
ны, управляющие наследственностью клетки, имеют бел-
ковую природу. Было известно, что гены сосредоточены
в хромосомах, и там обнаружили белки. Правда, в хро-
мосомах всегда присутствовал и другой компонент —
нуклеиновые кислоты, но их долгое время считали низ-
комолекулярными соединениями, не способными нести
генетическую информацию. Недостаточно хорошо попн-
а
мая, что такое информация и почему ее количество рас-
тет по логарифмическому закону, все биологи не сомне-
вались — для воспроизведения живого информации
должно быть много и поэтому она может быть сосредо-
точена в белковых макромолекулах.
Спираль ДНК. И была она открытием век_а, а
авторы —_ американский биохимик Дж. Уотсон и анг-
лийский биофизик Ф. Крик, работали в одном из заме-
чательных центров нарождающейся молекулярной био-
логии. Директор лаборатории — Лайнус Берг, открыв-
ший еще в начале века рентгеноструктурный анализ*
Рядом работали Д. Кендрю и М. Перуц, использовав-
шие этот анализ при сверхчеловеческом кропотливом
труде для расшифровки первых белковых структур. Спи-
ральная структура ДНК была установлена с помощью
того же рентгецоструктурного анализа в другой лабора-
тории, расположенной всего в нескольких десятках ки-
лометров, профессионалами Розалин Франклин и Мори-
сом Уилкинсом. И все же открытие века сделали моло-
дые ученые, на профессорский взгляд, дилетанты. И это
не случайно, потому что новый шаг в науке всегда
прост. Лишь потом возникает нагромождение фактов и
теорий, которые со временем надлежит забыть.
Идея двойной спирали проста. Было известно прави-
ло Чаргаффа, согласно которому в ДНК количество аде-
нина (Л) равно количеству тимина (Г), а количество
гуанина (Г) равно количеству цитозина (ZZ). Идея, сог-
ласно которой взаимодействие между аденином и тими-
ном и между гуанином и цитозином обеспечивает вос-
произведение комплементарной структуры ДНК, на ко-
торой. в свою очередь, можно синтезировать первона-
чальную структуру, витала в воздухе. Оставалось пока-
зать, что пары нуклеотидов имеют одинаковый размер
и аккуратно укладываются в виде винтовой лестницы на
двойной спиральной структуре, образуемой регулярной
цепочкой, в которой чередуются сахар (дезоксирибоза)
осфорной кислоты. Последовательность нук-
и остатки
3»
леотидов в цепочке может быть любой. Этой последова-
тельностью и записан генетический код. Оказалась сов-
сем простой идея воспроизведения этого кода: вторая
цепочка нуклеотидов комплементарна первой и на ней
синтезируется копия первой.
Околонаучные события, связанные с открытием, пре-
красно описаны в книге Уотсона «Двойная спираль».
6
Многие обвиняли Уотсона в той, что он клевещет на
науку, такую прекрасную и респектабельную. Но я ду-
маю, что «честный Джон» лишь слегка приоткрыл ре-
альную кухню большой науки.
А молекулярная биология еще только начиналась.
Впереди было выяснение аминокислотного кода. Еще не
ясно было, сколько нуклеотидов кодируют аминокисло-
ту, является ли этот код перекрьвающимся. Не ясна бы-
ла и роль РНК в передаче информации от ДНК к бел-
ку. Все эти достижения молекулярной биологии пришли
потом, и в них математические идеи кодирования — воз-
можность иметь любые нужные последовательности
нуклеотидов — совершенно потерялись среди физичес-
ких и химических открытий. И никто из ведущих биохи-
миков и биофизиков не сомневался в том, что в клетке
действуют только обычные законы физики и химии.
Из техники в науку
Не сомневался в этом и автор, который в 1955 г. на-
чал заниматься биофизикой живого. Перед этим я 5 лет
работал инженером по окончании кафедры сверхвысо-
ких частот физического факультета МГУ, где профессо-
ра, доценты и ассистенты занимались сложной наукой.
Я же искал чего-нибудь попроще и занялся ядерным па-
рамагнитным резонансом, кото{ый в 40-х гг. открыли
американские ученые И. Раби и Ф. Блох. Первую уста-
новку на нашей кафедре собрал радиоинженер, кончав-
ший физфак заочно, И. Магазаник. В 1947—1948 гг. мы
обнаружили радиоизлучение ядерных спинов. То самое
индуцированное излучение, предсказанное Альбертом
Эйнштейном и лежащее в основе работы современных
лазеров и мазеров. Но публикации не было, а в 1955 г.
эффект был снова обнаружен американским физиком
Н. Бломбергеном.
По окончании университета — работа в конструктор-
ском бюро, которое занималось реальной техникой
сверхвысоких частот. Здесь делали радиолокаторы. Раз-
ница между университетским и техническим образова-
нием была преодолена за год, и стало ясно, что универ-
ситетское образование (знание простейшие Научные ос-
нов, настоящее владение законом Ома) гораздо важнее
7
технических деталей, которые можно найти в справочни-
ках. Создавая реальные устройства, я понял, что техни-
ческие проблемы не отличимы от научных. Однако нау-
ка проста, а техника сложна и в ней можно делать толь-
ко отдельные детали. И пока она не заработала — это
не настоящая техника. То, что на кафедре СВЧ было
докторскими и кандидатскими, в КБ с помощью новой
техники младший инженер или техник делали за неде-
лю, никогда не заглядывая в пухлые тома диссертации.
Мы пользовались только основными научными закона-
ми.
Оставил технику я не добровольно, но с радостью
вернулся к науке и начал изучать живое. Здесь море
химических формул. В нем не найти простоту. Решил
попробовать изучить мозг. Начал с сетчатки глаза. Это
кусок мозга, вынесенный на периферию как бы для
удобства изучения. Дело в том, что на сетчатку легко
ввести при помощи света информацию любой сложно-
сти. А на выходе — получить нервные импульсы в глаз-
ном нерве, которые сравнительно легко регистрировать
привычными электрическими приборами.
Начав изучать мозг, я еще не понимал, что именно
здесь откроется отличие законов биологии от законов
физики и химии. Отличие, связанное с тем, что живые
системы —настоящие управляющие системы, будущее
которых зависит не только от прошлого, но и от прини-
маемых живой системой решений.
Сине-красный код. М. Бонгард и М. Смирнов в
это время активно изучали сетчатку лягушки в малень-
кой лаборатории Института биофизики АН СССР, куда
мне удалось поступить в 1955 г. преподавателем изотоп-
ного практикума. Своими руками они сделали все необ-
ходимые усилители и убедительно доказали, что лягуш-
ка обладает цветовым зрением. Это значит, что ни при
каком подборе интенсивности света, падающего на изо-
лированную сетчатку, нельзя заменить его светом дру-
гой длины волны так, чтобы в зрительном нерве не по-
явились электрические сигналы, сообщающие об этом
изменении в мозг.
Все нервные импульсы практически не отличимы
друг от друга: та же амплитуда, та же длительность.
Как же с помощью таких сигналов передаются в мозг
сведения о цвете и запахе, как отличается яркий свет от
слабого?
8
Люди давно уже изобрели передачу сообщений оди-
наковыми сигналами. Например, азбука Морзе содер-
жит два сигнала — точка и тире. Кодом из одинаковых
звуков в прежние времена удавалось пользоваться за-
ключенным. Перестукиваясь, они передавали новости
через стены тюрьмы. Поскольку сам звук от удара по
стенке имеет постоянную длительность, то разные лишь
интервалы между ударами. Так же, как колесо, этот
принцип не нов и использован при передаче сообщений
в нервных волокнах.
Еще в начале века английский физиолог Э. Эдриан
показал, что в ответ на раздражение различных органов
чувств по нервным волокнам передаются серии импуль-
сов. Чем сильнее раздражение, тем длиннее серия и тем
чаще идут импульсы внутри серии. Как же передаются
сообщения о «качестве» раздражения? Чем отличаются,
например, сигналы о запахе и цвете? До середины на-
шего столетия был один ответ: сигналы о разном каче-
стве раздражения идут по разным волокнам. В одном
волокне можно различить только силу раздражения. Но
как же тогда работает центральная нервная система,
где обязательно нужно передавать сложные сообщения?
Действительно ли по волокнам глазного нерва не пере-
даются сложные сообщения?
Ставить опыты на сетчатке мне помогал студент
мехмата М. Вайнцвайг. Мы записывали распределение
во времени электрических импульсов, которые возника-
ли, когда глаз освещали разным светом. Опыты произ-
водили на изолированном глазе лягушки: хрусталик
удаляли, микроэлектрод подводили к одиночной клетке,
от которой отходит одно из волокон зрительного нерва.
Если такой глаз осветить, микроэлектрод отводит серию
импульсов. Чем интенсивнее свет, тем гуще расположе-
ны импульсы и тем длиннее серия. Надо было понять,
кодируется ли в одиночных волокнах информация и об
интенсивности, и о цвете.
В сериях нервных импульсов некоторых ганглиозных
клеток такую «многомерную» информацию удалось об-
наружить. Цвет сигнала можно было определить, наб-
людая, как распределяются во времени нервные импуль-
сы, которые микроэлектрод отводит через усилитель на
экран осциллографа от одиночной клетки. «Красные»
серии всегда значительно короче «синих». Увидев на ос-
циллографе эту разницу в кодах, я чуть не запрыгал от
9
радости. Никогда ни до того, ни после научное открытие
не доставляло мне такого удовольствия. Все они были
медленными, трудными и к тому времени, как были до-
казаны, надоедали. Здесь же код открылся сразу: прош-
ло лишь несколько дней после того, как я собрал из уси-
лителя, предназначенного для счета альфа-частиц, элек-
трофизиологическую установку. «Синий» код нервных
импульсов снова и снова уверенно отличался от «крас-
ного».
Количество импульсов в ответ на освещение сетчатки
растет с увеличением интенсивности. В наших опытах
интенсивность света с длиной волн 450 и 600 нм подби-
ралась так, чтобы начало серии нервных импульсов бы-
ло одинаковым. Благодаря этому удалось доказать, что
по одиночному волокну в мозг передается информация
и об интенсивности света, и о длине волны. Однако толь-
ко редкие ганглиозные клетки сетчатки посылали коды,
позволяющие различать и интенсивность, и цвет сигна-
ла. Если освещать маленькие участки сетчатки фокуси-
рованным световым пятном через световод, характер
сине-красных кодов при таком освещении не изменяет-
ся. Но это уже были данные к вопросу о том, как воз-
никает код, К вопросу, на который до сих пор нет и, как
я теперь думаю, не может быть ответа на основании по-
добных опытов, так как коды создаются не сетью нейро-
нов, а внутринейронными компьютерами.
Статья «О характере информации, передаваемой по
одиночному нервному волокну от двух рецепторов сет-
чатки лягушки» была опубликована в 1957 г. Через два
года американские физиологи Д. Хьюбел и Т. Визел по-
казали, что среди ганглиозных клеток сетчатки кошки
есть такие, ответ которых зависит от направления дви-
жения светового сигнала. Зависимость количества им-
пульсов от геометрии освещающего пятна и от его дви-
жения сразу обнаружилась и в наших опытах. Клетки
же, которые при обычной интенсивности освещения от-
вечают несколькими импульсами на движение пятна по
сетчатке в одном направлении и не отвечают на движе-
ние в перпендикулярном направлении, описали амери-
канцы в 1959 г. Авторы назвали их детекторами движе-
ния, и с тех пор уже третье десятилетие этот термин
применяют к клеткам, отвечающим на все более слож-
ные образы.
Кое-кто из физиологов надеется найти нейрон —
10
детектор кошки. С точки зрения этой концепции обнару-
женные нами клетки можно было бы назвать детекто-
рами цвета. Однако это название уводит от настоящего
смысла изучаемого процесса — кодирования сообщений
в волокнах нервной системы. До тех пор пока не будет
понят смысл решаемых нейроном задач и устройство
внутри нейронного компьютера, можно утверждать толь-
ко, что по одиночным волокнам с помощью неравномер-
ного распределения во времени одинаковых импульсов
передаются сложные сообщения. Это и было показано
в работе 1957 г. Название «детекторы» затемняет смысл.
Нейроны, описанные Хьюбелом и Визелом, посылают
разное количество импульсов не только в зависимости
от направления движения, но и от интенсивности света,
и от формы движущегося пятна (авторы просто не ме-
няли другие параметры). Это хорошая задача для фи-
зиологов и сегодня.
Идея о нейронах-детекторах, связанная с представле-
нием о том, что мозг — это сеть из огромного количес!-
ва нейронов-генераторов электрических импульсов,
суммирующих на своих мембранах возбуждающие и
тормозные электрические сигналы, — совершенно не в
состоянии объяснить замечательные свойства мозга жи-
вотных.
Фазовая теория нервною возбуждения.
Подчиняется ли законам физики и химии сам нервный
импульс? В мировой науке эта проблема уже была ре-
шена. Но в советской биофизике в конце 50-х гг. господ-
ствовала фазовая теория возбуждения, которую создала
ленинградцы член-корреспондент АН СССР Д. Н. На-
сонов и замечательный цитолог В. Я. Александров. Они
считали, что не подчиняется, и говорили примерно сле-
дующее. Генерация нервного импульса — возбуждение
нервной клетки связано не со свойствами гипотетичес-
кой мембраны. Протоплазма живов клетки представля-
ет собой особую фазу, отличную эт водного раствора.
Свойства этой фазы таковы, что поддержание высокой
концентрации калия внутри клетки не требует затраты
свободной энергии. Распределение ионов калия между
фазой воды и фазой невозбужденюй протоплазмы —
равновесное. Такое распределение юнов калия действи-
тельно наблюдается между водой и ионообменной смо-
лой. В равновесии на единицу объема количество ионоз
калия в смоле может быть гораздо выше, чем в водной
И
>астворе. Однако свойства протоплазмы, по Насонову и
Александрову, принципиально отличались от свойств та-
toil смолы. При возбуждении фазовые свойства прото-
плазмы должны были меняться и приближаться к фазо-
вым свойствам воды — так трактовался нервный им-
1ульс.
К моменту, когда я познакомился с этой теорией, не
шевшей, впрочем, сколь-нибудь строгой физико-хими-
ческой формулировки, было ясно, что мембрана клеток
действительно существует и что ее свойства, в частности
сопротивление для электрического тока, меняются при
возбуждении. Существенное отличие физико-химических
фазовых свойств протоплазмы и водного раствора, кото-
рое позволило бы рассматривать распределение ионов
калия между клеткой и средой как равновесное, каза-
лось маловероятным. По я все же решил попробовать
работать с этой идеей, хотя, конечно, не мог себе позво-
лить отклонение от того, что считал научной истиной.
Мне, окончившему физфак, было ясно, что изменение
знака потенциала при генерации нервного импульса фа-
зовыми свойствами протоплазмы не объяснишь. Остава-
лось создать не противоречащую уже поставленным
экспериментам фазово-мембранную гипотезу. Она была
опубликована в журнале «Биофизика» в 1961 г. Сторон-
ник фазовой теории член-корреспондент АН СССР Афа-
насий Семенович Трошин включил изложение этой ги-
потезы в свой доклад в Англии и в свою книжку, издан-
ную на английском языке.
Нужны были новые эксперименты. И аксон, который
перфузировали английские физиологи А. Ходжкин,
П. Бейкер и Т. Шоу, «убил» фазово-мембранную гипоте-
зу наповал. Такие же нервные импульсы генерировала
мембрана, лишенная протоплазмы. Сейчас идея об осо-
бых свойствах протоплазмы живых клеток в некотором
смысле возрождается в наших работах о квантовых мо-
лекулярных компьютерах. Однако мы думаем, что это
не другая фаза в физико-химическом смысле, а новая
физико-математическая структура, которую нельзя опи-
сать в рамках старой науки. Необходимо отметить, что
в этой новой науке теоретикам будут принадлежать
толькс ошибки. Ошибочной была и фазово-мембранная
гипотеза. Генерация нервного импульса — обычный
физико-химический процесс.
Правда, еще не все понято до конца. Чрезвычайно
12
тонкие опыты англичанина А. Хллла по измерению теп-
лопродукции в разные моменты — до, во время и после
генерации нервных импульсов — находятся в противо-
речии с термодинамикой ионных генераторов. Дело в
том, что, согласно теории Ходжкина, генерация происхо-
дит за счет градиента концентрации ионов, т. е. за счет
энергии их теплового движения. И в момент генерации
должно наблюдаться охлаждение. А происходит нагрев.
Я рассказал об этом Ходжкину, когда он посетил нашу
группу в Москве в 1967 г. Он о^ень обрадовался наше-
му подвалу и сказал, что у него лаборатория тоже в
подвале. С тех пор Ходжкин стал президентом Королев-
ского общества и директором знаменитого колледжа в
Лондоне. И у меня — не подвал, а роскошное помеще-
ние с лепными потолками. Но тогда, в подвале, мы хо-
рошо понимали друг друга и согласились, что, скорее
всего, дело не в недостатках кембранной теории, а в
том, что для изменения проницаемости мембраны поче-
му-то нужна дополнительная энергия, и положительная
теплопродукция объясняется этим.
Не все благополучно и с перфузируемым аксоном.
Оказалось, что через некоторое время генерация нерв-
ного импульса прекращается, несмотря на наличие под-
ходящих ионных градиентов. Казалось бы, ничего осо-
бенного. Мало ли что там может портиться. Однако ге-
нерация импульсов восстанавливается, когда в пропус-
каемый через аксон раствор добавляли АТФ. Зачем-то
нужен этот источник энергии. Но и в присутствии АТФ
вскоре генерация прекращалась. II тут помогали важ-
ные компоненты протоплазмы — цАМФ и тубулин.
Синапс и нервная ceib,
которая ловит информацию
Информация о количестве информации.
Много пухлых томов написано по этому поводу, но ос-
новной научный смысл, как всегда, прост. Сообщения
можно кодировать потому, что человек способен в лю-
бом порядке расставлять на бумаге разные значки. На-
пример, всевозможные перестановки нулей и
единиц. Это настолько просто, что об этом часто забы-
вают даже сказать, считая само собой разумеющимся.
Возможность по своему произволу переставлять значки
13
связана с их макроскопическими размерами. В кванто-
вом мире такой возможности нет. Элементарные части-
цы могут рождаться и исчезать независимо от наших
желаний. Поэтому понятие «информация» относится
обязательно к макроскопической области. Кроме того,
это чисто математическое понятие, так как физика пред-
полагает, что будущее системы зависит отнюдь не от на-
ших желаний, а от прошлого.
«Количество информации» говорит о длине кода. А
поскольку в коде могут использоваться всевозможные
перестановки, то длина кода — loga N, где а — количе-
ство символов, используемых при кодировании, N —
число сообщений.
Создатель теории информации американец Клод
Шеннон был инженером телефонной компании Bell
System. То, что длина кода — логарифм, было известно
за тысячу лет до него. Его основная идея тоже была
проста. То, что передаешь часто, — кодируй коротко, а
то, что редко, — длинно. Например, все числа от еди-
ницы до миллиона можно закодировать и передать с по-
мощью шести десятичных знаков: 1,.........,999999.
Если вам нужно очень часто передавать число 999999,
то полезно его кодировать единицей. Тогда средняя дли-
на кода будет короче и передающая линия будет загру-
жена меньше.
Закодированные сообщения передаются в нервной
системе одинаковыми электрическими импульсами.
Смысл такого сообщения закодирован не только проме-
жутками между этими импульсами, но и тем химичес-
ким веществом (медиатором), которое выделяется из
окончания нервного волокна в момент прихода нервного
импульса. Окончание нервного волокна образует тесный
контакт с управляемой этим волокном клеткой. Эту
структуру, передающую возбуждение в одну сторону,
называют синапс.
Миниатюрные потенциалы. Английские
ученые П. Фетт и Б. Катц в 1953 г. обнаружили, что
медиатор выделяется из окончаний порциями. Каждая
порция вызывает на мембране отвечающей клетки сла-
бое изменение потенциала, которое обычно так и назы-
вают миниатюрным потенциалом.
Позднее с помощью препаративной биохиътии уда-
лось выяснить, что медиатор в нервном окончании упа-
14
кован в маленькие синаптические пузырьки. Множество
таких пузырьков видно внутри окончания. Когда содер-
жимое пузырька — квант ацетилколина (АХ) — выде-
ляется в синаптическую щель, всзникает один мини-
атюрный потенциал. Порции АХ выделяются и в покое.
Нервный импульс только в тысячи раз увеличивает
среднюю частоту их выделения. Множество одновремен-
но возникающих миниатюрных потенциалов, сливаясь,
образует синаптический потенциал.
С помощью все той же установки для счета альфа-
частиц мы научились отводить миниатюрные потенциа-
лы от нервно-мышечного соединения лягушки. Остава-
лось решить вопрос о том, почему приходящий нервный
импульс учащает слипание синаптических пузырьков с
наружной мембраной нервного окончания. Сначала каза-
лось, что причина в уменьшении разности потенциалов
на мембране, вызванном приходом нервного импульса.
Действительно, в нормальном солевом растворе всевоз-
можные воздействия, уменьшающие эту разность потен-
циалов, увеличивают частоту миниатюрных потенциа-
лов. Однако если в наружном растворе нет ионов каль-
ция, то приход нервного импульса не меняет частоты. Но
самым непонятным было резкое увеличение частоты вы-
деления квантов при повышении концентрации любых
непроникаюших ионов или нейтральных молекул, напри-
мер, сахарозы в наружном солевой растворе.
Сигнал внутрь клетка шлет кальций.
Ж. Блиох, И. Глаголевой и автору этой книги удалось
разобраться в этой запутанной сгтуации. Мы исходили
из простой физической идеи: для слипания пузырьков с
наружной мембраной пресинапти^еского волокна надо
уменьшить ее поверхностный электрический заряд. Это
могут делать ионы кальция. Опыты по слипанию искус-
ственных фосфолипидных мембран, которые провели
В. Ненашев и я, подтвердили, что в растворах с Каль*
цием слипание таких мембран происходит гораздо эф-
фективнее, чем в растворе с одновалентными катионами.
Каждый нервный импульс вызывает не только депо-
ляризацию пресинаптического окончания, но и вход
внутрь окончания нервного волокна ионов кальция, рас-
суждали мы. Поэтому в растворе (ез кальция нет синап-
тической передачи. Одновременно эта гипотеза объясни*
ла другой неожиданный эффект: частота миниатюрных
15
потенциалов резко зависит от осмотического давления.
Причем именно от осмотического давления, так как она
повышается и после добавления в окружающий препа-
рат раствор NaCl и сахарозы или других нейтральных
для клетки веществ. Этот эффект долгие годы не нахо-
дил объяснения, поскольку осмотическое давление ни-
как не влияло на распространение нервного импульса.
Идея о снижении поверхностного заряда на внутрен-
ней поверхности мембраны сразу объяснила влияние
осмотического давления: повышение концентрации
ионов или нейтральных молекул в наружном растворе
приводит к тому, что из клетки выходит вода и, следо-
вательно, увеличивается внутриклеточная концентрация
катионов, в том числе и кальция. Ясно, что, если дело в
поверхностном заряде, наружный кальций не нужен,
для того чтобы проявился эффект осмотического давле-
ния на частоту миниатюрных потенциалов.
Однако всякую научную гипотезу нужно проверять
прямыми экспериментами. Ранее говорилось, что диа-
метр нервного окончания обычно меньше мик-рона. Вве-
сти ионы кальция в нервное окончание для прямой про-
верки гипотезы возможности не было. Но кальций в
нервных окончаниях всегда запасен в большом количе-
стве внутри митохондрий, где его держит электрическое
поле этих внутриклеточных «электростанций».
В то же время и в том же подвале Л. Цофина,
В. Топали и я изучали электрическую энергетику жи-
вых организмов. Опыты показали, что разобщители
окислительного фосфорилирования и фотосинтеза пере-
носят протоны через бимолекулярную фосфолипидную
мембрану. А когда стал понятен механизм переноса, то
уже ничего не стоило найти разнообразные проникаю-
щие через фосфолипидную мембрану положительные и
отрицательные ионы. В школе я хорошо усвоил, что раз-
ность потенциалов между двумя точками — это вовсе
не то, что показывает обычный вольтметр, а работа по
переносу единицы пробного заряда между этими точка-
ми. Поэтому мне было совсем нетрудно придумать ме-
тод измерения разности потенциалов на мембранах ми-
тохондрий, субмитохондриальных и фотосинтезирующих
частиц.
Разность потенциалов на мембране энергетических
станций внутри живых клеток возникает благодаря ра-
боте белковых протонных помп, использующих энергию
16
переноса электронов. В митохондриях электроны идут
от субстрата к кислороду. У фотосинтезирующих частиц
они возвращаются через цепь электронпереносящих бел-
ков в положительно заряженные «дырки», из которые
квант света выбил электрон. Мы, видимо, первыми сре-
ди людей увидели, как в результате переноса электро-
нов от одних специальных белков к другим на мембра-
не частиц появляется разность потенциалов. «Пробные
заряды» (положительно заряженные проникающие
ионы) двигались внутрь митохондрий, а отрицательные
выбрасывались наружу.
Разобщители окислительного фосфорилирования —
переносчики протонов — снимали электрическое поле
на мембране митохондрий. Добавляя разобщители, мы
сумели ввести кальций внутрь нервного окончания. Ока-
залось, что все вещества, снимающие электрическое по-
ле на мембране митохондрий, резко повышают частоту
выделения квантов ацетилхолина из нервного оконча-
ния в синапсах.
В дальнейшем Катц и Миледи сообщили, что им уда-
лось поставить прямые опыты с сведением Са2+ в ги-
гантские синапсы кальмаров, у которых толщина нерв-
ного волокна достигает миллиметра. Однако наличие са-
мих миниатюрных потенциалов и их спонтанный харак-
тер в этом препарате не столь очевидны, как у нервно-
мышечного соединения лягушки. Не ясно также, удалось
ли в этих экспериментах поднять концентрацию кальция
в районе пресинаптической мембраны, на большом рас-
стоянии от электрода, в то время как внутри клетки
практически нет свободного кальция и вводимый ионо
форезом кальций немедленно связывается внутриклеточ-
ными компонентами.
Взаимодействие Са2+ с мембраной нервного оконча-
ния, по-видимому, не сводится к простой экранировке
заряда, и наша идея, породившая ряд удачных экспери-
ментов, неверна. Ионы кальция взаимодействуют внутри
клетки со специальными белками,. Как происходит это
взаимодействие, как синаптический пузырек раскрывает-
ся, для того чтобы излить свое содержимое в синаптиче-
скую щель, как его мембрана становится частью поверх-
ностной мембраны нервного волокна — эти вопросы до
сих пор не имеют ответа. Да и едва ли на них можно
дать простой ответ. Это скорее вопросы научно-техниче-
ские,
126-2
110916
Формальные нейроны М а к-К а л л о к а и
П ит тс а. Это была первая настоящая математическая
идея в биологии. До того в биологии успешно работали
лишь физические и химические идеи. И как настоящая
научная идея, она была простой и объясняла ни мало
ни много — механизм работы нервной системы, меха-
низм мышления. Уже было известно, что нервный им-
пульс — электрический ток и что возбуждение волок-
на — генерация этого тока — возникает после достиже-
ния порогового уровня деполяризации. Было ясно, что
нервная клетка возбуждается через синапсы и в нервной
системе есть не только возбуждение, но и торможение.
В 1943 г. американцы У. Мак-Каллок и Р. Питтс, фи-
зиолог и математик, описали нервную клетку как фор-
мальный нейрон — устройство с двумя или большим ко-
личеством входов и с одним выходом. Входы бывают
возбуждающие и тормозные. Формальный нейрон воз-
буждается и посылает сигнал на свой выход, если одно-
временное количество возбуждающих сигналов на его
входе превышает количество тормозных сигналов на ве-
личину, которая называется порогом возбуждения.
Выход формального нейрона может соединяться с воз-
буждающими или тормозными входами других нейро-
нов, образуя сеть из формальных нейронов.
Была доказана теорема, что сеть из подходящих
формальных нейронов может на любую последователь-
ность сигналов, на любом числе входов давать любую
последовательность сигналов на любом числе выходов.
Авторов, правда, не беспокоило то обстоятельство, что
для значительного числа входов и выходов количество
формальных нейронов в сети, которое растет как сте-
пенная функция, быстро превышает количество атомов
во Вселенной. Позже возбуждающие и тормозные посг-
синаптические потенциалы у нервных клеток действи-
тельно были открыты англичанином Д. Экклсом и его
последователями во всех частях нервной системы. И хо-
тя авторы-электрофизиологи практически никогда не
ссылались на работу Мак-Каллока и Питтса и обычно
не знали ее содержания, идея о том, что мозг работает
как сеть из нейронов-сумматоров оставалась основой
нейрофизиологии вплоть до наших дней. Работа Мак-
Каллока и Питтса была безусловным успехом чисто ма-
тематических идей в биологии.
18
Медиаторы в некоторых случаях прямо воздействуют
на ионную проницаемость постсинаптических мембран,
Ионная избирательность этих каналов определяет» воз-
никает ли при этом возбуждающий или тормозной пост-
синаптический потенциал. В принципе можно менять
проницаемость, закрывая канал для ионов. Но синапсы
с такими медиаторами мне пока не известны.
Однако в настоящее время открыт и другой меха-
низм ответа нейрона на медиатор: рецептор посылает
сигнал внутрь клетки. Там сигнал обрабатывают и сопо-
ставляют с другими сигналами, а управление проницае-
мостью клетка ведет изнутри.
Регулирующая система
живой клетки
Живая клетка содержит гигантский молекулярный
текст. Он написан молекулярными буквами — нуклео-
тидами. В нем гораздо больше букв, чем во всех текс- ,
тах, написанных всеми людьми за все время существо-
вания человечества.
Эти тексты, буква за буквой, быстро читают в лабо-
раториях современные молекулярные биологи. Однако
до понимания их смысла далеко. Еще господствует уже
опровергнутая экспериментально идея, что молекуляр-
ными буквами записаны на ДНК коды аминокислотного
состава белков — по три нуклеотида для кодирования
аминокислоты. А всего аминокислот 22, так что не все
перестановки, не все тройки колируют разные аминокис-
лоты, и код слегка избыточный Уже ясно, что на ДНК
прямого кода *аминокиил1ГЯби последовательности час-
то нет. Он возникает в клетке i результате сложной пе-
реработки ДНК и PH К- Да и вообще у человека хоть
какое-То отношение к текстам Селков имеет только 10%'/
ДНК.	—
Чем же занят остальной текст? Не молекулярными
же «паразитами», как думает зеликий Френсис Крик.
Что записано на ДНК? Я думаю, что это записи молеку-
лярных программ для молекулярной вычислительной ма-
шины, В программах закодироганы не аминокислоты, а
19
белки, в том числе и те, которые участвуют в работе
самой молекулярной вычислительной машины, — белки,
преобразующие .молекулярный текст. Сначала расска-
жем о том, как родилась идея молекулярной вычисли-
тельной машины.
Будут ли роботы пасти стада людей?
В конце 60-х гг., изучая переносчики ионов через биоло-
гические мембраны, я измерял мембранный потенциал
электрических станций клетки. И совсем, казалось, ото-
шел от изучения механизма работы человеческого моз-
га. Проблемой мозга и механизмом мышления очень ус-
пешно, по мнению большинства советских биофизиков,
в это время занимался М. Бонгард. В 1967 г. он опуб-
ликовал книгу «Проблема узнавания», в которой подвел
итог работ его лаборатории и наметил пути моделиро-
вания мышления с помощью ЭВМ.
За прошедшие 20 лет объем памяти и быстродейст-
вие ЭВЛ1 быстро возросли. В современной вычислитель-
ной машине количество элементов памяти может быть
больше, чем число нейронов человеческого мозга, а бы-
стродействие этих элементов уже в миллион раз больше
частоты нервных импульсов, которые может посылать
нейрон. Гигантских успехов достигло программирование,
которое уже давно перестало быть предметом чистой
науки, а стало математической техникой. Современная
вычислительная машина ведет диалог с оператором, за-
дает ему вопросы и подсказывает ответы. Мгновенно
решает сложнейшие уравнения и на трехмерных цвет-
ных графиках иллюстрирует их решение. Нельзя не при-
знать, что современные вычислительные машины обла-
дают мощным интеллектом, во многих областях превос-
ходящим человеческий интеллект.
Но 20 лет назад Бонгарду казалось, что достаточно
к идеям Дж. Неймана и А. Тьюринга добавить еще не-
сколько новых идей (которые позволят самим вычисли-
тельным машинам с помощью самообучения создать
программу мышления) — и вычислительные машины во
всех областях интеллектуальной деятельности превзой-
дут человека. Бонгард и его окружение всерьез обсуж-
дали тогда вопрос о моральных проблемах, возникаю-
щих в связи с созданием таких программ. Им казалось,
что ЭВМ с такими программами будут пасти людей, как
мы сегодня пасем скот.
Вычислительные машины не будут пасти людей. Че-
20
ловек — венец творения. Электронные вычислительные
машины, как подъемные краны и станки, — лишь по-
мощники человека. Принципиальная разница между ис-
кусственным и естественным интеллектом не в програм-
мах, а в конструкции компьютеров. Мозг человека и
животных работает на предельно хороших (в смысле
физического предела) молекулярных управляющих сис-
темах. Существенно, конечно, и то, что молекулярные
программы естественного интеллекта написаны не рука-
ми человека.
«Ж ива я» электроника. Идея о молекулярной
электронно-ионной вычислительной машине жизой клет-
ки пришла ко мне в 1969 г. «Живой клетке, — писал я
в это время, — необходимо устройство типа универсаль-
ной вычислительной машины, способное решать слож-
ные задачи, управляемое программой, записанной на
молекулах ДНК и РНК, и поступающей извне информа-
цией. Решение таких задач требует возможности произ-
водить преобразование не только внешней информации,
ио и самой программы. Высказывается гипотеза, что
клеточная мембрана содержит такой «компьютер», при-
чем в качестве «триггеров» работают цепочки, перено-
сящие через мембрану электроны, АТФазы, являющиеся
протонными или ионными помпами, и управляемые
ионные каналы». Дальше в этой работе было рассмотре-
но, каким образом молекулы типа электрон переносящих
белков могли бы служить в качестве элементов памяти.
В таких элементах запоминание происходило бы с по-
мощью переноса одного электрона или протона. Одна-
ко было неясно, как соединить такие элементы в уни-
версальное вычислительное устройство. Для переноса
электронов на большие расстояния нужны макроскопи-
ческие провода, и провода займут все место в такой
машине. И тогда теряют смысл молекулярные размеры
элементов.
А в это время в лаборатории Бонгарда разрабаты-
вали схему «мыслящего животного». «Животное» жило
в мире, записанном с помощью специальной программы
в вычислительной машине. Само «животное» было тоже
самообучающейся программой для той же ЭВМ.
«Это очень сложная программа, — говорил мне Ми-
ка, — и понадобится 5 месяцев по 5 часов в день рас-
сказывать ее тебе, чтобы ты что-нибудь понял». Я готов
был слушать его, но летом 1971 г. Бонгард погиб при
21
спуске с ледяной вершины Памира. Это была двадца-
тая смерть в кругу университетских альпинистов —
сильных и мужественных людей, нашедших такой спо-
соб доказывать себе и окружающим, что они действи-
тельно честные и мужественные люди. В связке с Бом-
гардом погиб замечательный физик Олег Куликов. Их
похоронили на Памире. На камне надпись; «Им было
дано трудное счастье — всегда и во всем идти к вер-
шинам»...
После гибели друга я бросил свои дела и пошел в
его лабораторию. Может быть, помогу сохранить его
мысли. Пойму это странное «животное» в его странном
мире программы, управляющей ЭВМ. Узнаю «язык»
М. Вайнцвайга и пойму, почему Мика говорил, что, ког-
да «животному» удастся передать этот «язык», оно ста-
нет гениальным. Замечательный «Димкин язык» оказал-
ся по-научному прост. Всего три типа вычислительных опе-
раций. XF->Z — взять слово, лежащее по адресу X, при-
писать к нему справа слово, лежащеено адресу У, и по-
ложить полученное слово по адресу Z. Вторая опера-
ция — отрезание от слова крыла, содержащего п букв.
И третья операция — передача управления.
Этот язык не содержал новых вычислительных опе-
раций. И сшивание слов, и отрезание крыла, и передача
управления были уже описаны в литературе. Кроме про-
стоты, у этого языка было только одно замечательное
свойство — универсальность. Вайнцвайгу удалось дока-
зать, что на таком языке можно написать любую про-
грамму. И он надеялся написать самообучающуюся про-
грамму, способную ориентироваться в живом языке.
«Поскольку, — говорил он, — в машинном мире Мики-
ного «животного» мы ориентироваться не умеем, а в рус-
ском языке умеем».
Надежда написать мыслящую программу для ЭВМ
не оставляет Вайнцвайга и сейчас. Хотя для этой цели
он хочет воспользоваться другим макроскопическим
языком и другими — параллельными — машинами. Но
«Димкин универсальный язык» подал мне мысль о мо-
лекулярной вычислительной машине клетки, работаю-
щей с молекулярными словами, которые преобразуются
молекулярными операциями.
Электронные и молекулярные. Что общего
и какая разница между ЭВМ и МВМ? В чем преиму-
щества «молекулярных» по сравнению с «электронны*
22
ми»? Не поможет ли определение этого различия по-
нять, почему человек решает многие задачи узнавания
и управления движениями гораздо лучше любого совре-
менного компьютера? И наконец, почему в арифметике
и логике современные вычислительные машины гораздо
сильнее человека?
Если воспользоваться элементарными знаниями об
устройстве ЭВМ, в клетке легко обнаружить все необ-
ходимые элементы для молекулярной вычислительной
машины. Во-первых, есть молекулярная память, причем
как долговременная (полученные от родителей молеку-
лы ДНК), так и оперативная (синтезированные внутри
клетки молекулы РНК). При таком описании новым бы-
ло то, что молекулярным текстом на ДНК и РНК запи-
саны не только белки, но и программы, в том числе и по
переработке самих программ.
Тексты таких программ написаны на молекулярном
языке, имеющем алфавит из четырех букв (Л — аденин,
Г — гуанин, Ц — цитозин, Т — тимин, в РНК вместо
тимина У — урацил). Из этих букв молекул-мономеров
составляются разнообразные последовательности. Па
способности нести информацию язык МВМ мало отли-
чается от машинных языков или русского и английского.
Слова в МВМ складываются из линейной последова-
тельности ковалентно связанных молекулярных букв.
Если бы можно было использовать все последовательно-
сти нуклеотидов, этот язык вообще ничем бы не отли-
чался с точки зрения математики от других языков.
Однако молекулярный текст — это предел макро-
скопического языка. По-видимому, более мелкие эле-
менты не могут быть носителями информации. Но как
разместить молекулы-слова по адресам? Как сделать
адрес у молекулы? Адрес можно написать на самом мо-
лекулярном слове, как мы пишем адрес на письме. При-
чем аналогия подсказывает, что написать адрес можно
в том же алфавите. Молекулярные адреса, являющиеся
частью молекулярных слов и преобразующих эти слова
молекулярных операторов, — одно из главных отличи-
тельных свойств МВМ.
Существует естественный способ читать молекуляр-
ные адреса. Этот способ открыли Уотсон и Крик, когда
поняли устройство двойной спирали ДНК. Буквы моле-
кулярного алфавита способны образовывать между со-
бой не только прочные (ковалентные) связи, но и более
23
слабые (основанные на водородных связях и еще более
слабых взаимодействиях). Слабые связи удерживают
молекулы вместе, только если этих связей много. Они
могут обеспечить прилипание к данной молекуле другой
молекулы, если последняя обладает подходящей высо-
коспецифичной структурой (способностью образовывать
слабые связи в подходящих местах). Это осуществляет-
ся при комплементарном связывании в молекулах ДНК
и РНК. Л взаимодействует с Т (или У), Г — с Ц.
Таким образом, если имеется цепочка молекулярных
букв, составляющих слово адреса, то лишь слово, сос-
тоящее из комплементарных букв, узнает этот адрес и
прилипнет к нему. Слово прилипнет крепко, ибо из мно-
гих слабых связен получится сильная. Взаимодействие
комплементарных участков — это физическое взаимо-
действие. Молекулярный текст не может быть любым.
Комплементарность — физическое ограничение моле-
кулярной математики. Комплементарной может быть не
только связь между молекулами ДНК и РНК. Белки мо-
гут иметь участки, комплементарные определенным по-
следовательностям нуклеотидов.
После того как комплементарные поверхности мо-
лекулы-слова и молекулярного оператора соединились—
адрес найден. И молекулярный оператор производит
ферментативное преобразование молекулярного слова в
заданном месте. Операторы, преобразующие слова в
МВМ, не похожи на схемы, осуществляющие преобразо-
вания в ЭВМ. Это главным образом белковые молеку-
лы-ферменты. Детали МВМ — квантовые объекты.
Адресные ферменты могут делить молекулы-слова в
заданном месте, соединять два молекулярных слова в
одно, замыкать линейную молекулу в кольцо и т. д. Но
общее у всех ферментативных реакций — затрата сво-
бодной энергии, запасенной в молекулярных буквах, ко-
торые нужно включить в слова. Для РНК это АТФ,
ГТФ, УТФ и ЦТФ. А для ДНК соответственно дезокси-
АТФ, -ГТФ, -ТТФ и -ЦТФ. Свободная энергия запасена
также в связях между буквами в словах ДНК и РНК
и в белках. «Запасена в связях» означает, что они го-
товы реагировать с водой, которая окружает молекулы-
слова, и ждут только подхода и взаимодействия с соот-
ветствующим ферментом. Без фермента реакция течет
очень медленно. Ферменты не изменяют направления хи-
мических реакций, а только ускоряют достижение со-
24
стояния равновесия. Быстрая реакция за время, пока
оператор и преобразуемая молесула-слово не разош-
лись, протекает за счет свободной энергии, запасенной
в химических связях.
«Живой клеткой управляет параллельно-последова-
тельная стохастическая молекулярная машина (МВМ),
которая может быть эквивалентна универсальной вычис-
лительной машине. МВМ работает с молекул а ми-слова-
ми, имеющими определенные адреса. Молекулы-слова
перерабатываются молекулярными операторами с под-
ходящим адресом. Молекулы-слова слипаются с соот-
ветствующими молекулярными операторами в результа-
те взаимодействия комплементарных частей молекул в
процессе броуновского движения...» Так начиналось ре-
зюме статьи о молекулярной вычислительной машине,
опубликованной в журнале «Биофизика» в 1972 г.
Дальше я писал: «Современная молекулярная биология
достигла замечательных успехов в выделении и изуче-
нии механизма работы отдельных частей клетки... Это
позволяет сделать попытку описать физиологию клетки,
представив ее как молекулярную вычислительную ма-
шину, оперирующую с молекулами-словами».
В этой статье простейшие математические идеи были
использованы для описания живой клетки и позволили
предсказать наличие адресных РНКаз и лигаз, сплай-
синг и процессинг ДНК и РНК, т. е. то, чем живет со-
временная экспериментальная энология. И не только
предсказать, но и объяснить целесообразность такой пе-
реработки. Но молекулярные бислоги, не читавшие этой
статьи, до сих пор продолжают снова и снова задавать
вопрос: «Why аге gene in pieces?» Почему гены не запи-
саны подряд на ДНК трехбуквенным кодом, кодирую-
щим аминокислоты этих белков? Ответ простой. При на-
личии молекулярных операций, позволяющих вести де-
кодирование, гораздо компактнее кодировать на ДНК
не аминокислоты белков, а белки.
«Цена действия» за вычисление. Расчет
энергии, необходимой на произвсдство вычислительных
операций, и проблема отведения выделяющегося тепла
относятся к основным техническим проблемам при соз-
дании современных вычислительных машин. Элементы
этих машин из сверхчистых материалов наносят на под-
ложки из сапфиров и алмазов, поскольку именно эти
кристаллы способны максимально быстро отводить теп-
25
ло, выделяющееся при работе вычисляющих элементов.
Теоретики продолжают рассуждать о минимальной
порции энергии, необходимой для вычисления. И обыч-
но (см.: В мире науки, — 1985. — № 9) приходят к вы-
воду, что такой минимальной порции не существует. Что
просто эта недоразвитая техника тратит на вычисление
большую энергию, и зря заботятся о выделяемом тепле,
зря используют драгоценные камни. Однако ясно, что
на вычислительную операцию используется не только
энергия, но и время. А принцип неопределенности свя-
зывает энергию и время простой формулой AEAt=h, где
h — знаменитая постоянная Планка — квант действия.
: Действия меньше h, грубо говоря, не бывает. Так что,
оценивая затраты на операцию в поисках минимальных
затрат на вычисление, нужно перейти от энергии и вре-
мени к новой величине — «цене действия» за вычисле-
ние. Эта новая
изи ко-м ате м ати ко-биологическа я вели-
чина была введена в описанной выше статье 1972 г.
Обычно в живой клетке свободная энергия, затрачи-
ваемая на одно молекулярное преобразование, равна
10 кТ, где ’/г кТ — средняя энергия на каждую степень
свободы при температуре Т. Такая энергия выделяется,
например, при гидролизе АТФ или при разрыве связи
между нуклеотидами в ДНК или РНК. Время, которое
затрачивается на одну молекулярную операцию, напри-
мер, при синтезе ДНК или РНК на вставку одного нук-
леотида, порядка 0,1 с. Цена действия за операцию
Дц=10 кТхОД с очень мала. Однако это все еще очень
много квантов действия. Примерно IO13 h.
Поиск молекулярных адресов. Моя идея
о том, что за счет теплового движения может осуществ-
ляться поиск молекулярными операторами молекуляр-
ных слов, высказанная в статье 1972 г. о молекулярной
вычислительной машине, была встречена без энтузиаз-
ма.
Сегодня в бесклеточных системах, которыми пользу-
ются молекулярные биологи, молекулярные слова и мо-
лекулярные операторы свободно движутся и за счет теп-
лового движения находят друг друга. Хаотическое броу-
новское движение достаточно быстро перемешивает мо-
лекулы в небольшом объеме. Встречи между молекула-
ми происходят совершенно случайно, и, если адреса не
подходят, они разлетаются для дальнейших поисков. По,
если адреса комплементарны, они слипаются, и броунов-
26
ское движение уже не успевает разъединить молекулы
до того, как они провзаимодействуют.
Поиск комплементарного адреса может и в клеточ-
ной МВМ осуществляться без затрат свободной энергии.
Свободная энергия будет затрачена только тогда, когда
адресат найдется. Это второе важнейшее отличие МВМ от
ЭВМ. В любых макроскопических вычислительных ма-
шинах поиск требует таких же затрат свободной энер-
гии, как и направленные операции. Использование хао-
тического движения делает поиск очень дешевым, но не
совсем бесплатным. Нужно все-таки немного платить,
цена дешевая, но не равна нулю. Иначе не известно, что
искать. Минимальная плата за это знание — синтез мо-
лекулярного адреса. А минимальная длина адреса-кода
равна logaA\ где N — число сообщений. У МВМ число
оплачиваемых операций может быть пропорционально
не М,-а loga/V. Это ее важное преимущество. Особенно
когда решаются сложные задачи. Ведь логарифм боль-
ших чисел увеличивается медленно: десятичный лога-
рифм тысячи—3, миллиона — 6, миллиарда — 9. А ког-
да задача сложная, N велико.
Математическая идея о том, что управляющую сис-
тему живой клетки можно описать как универсальныi
стохастический язык, была опубликована М. Н. Вайнц-
вайгом и мною в журнале «Биофизика» в 1973 г. Там
показано, что такой язык может состоять из операторов
только одного типа, а именно:
X, (А->В), X г ли Хь
Оператор захватывает слово с адресом X и двигается
с одного конца захваченного слова к другому. И если
находит внутри слова другое слово А, то меняет его на
слово В и сохраняет у получившегося нового слова (но
вой фразы) адрес X. После этого через некоторое врем я
преобразованное слово попадает в тот же или в такой
же оператор, который ищет, нет ли в нем еще одного А,
чтобы заменить его на В. Нужно помнить, что А внутр я
слова X может возникнуть в результате первого преоб-
разования: оно может образоваться из кусков старого
слова и начала или конца вставленного слова. Если же
слово X не содержит внутри себя слова А, то оператор,
продвинувшись до конца, меняет адрес X на Хь После
того как слово получило новцй адрес, с ним может ра-
27
ютать только другой оператор этого типа:
Основным в нашем доказательстве является привыч-
ное для математики и неверное на самом деле предпо-
ложение, что процесс можно вести неограниченно долго.
Язык с одним типом операторов малоэффективен для
решения большинства задач. Он будет работать медлен-
но или с большой затратой энергии. У живых клеток
уже известны сотни разных белков-операторов, пре-
образующих ДНК и РНК. Язык тут другой и, по-види-
мому, более эффективный. Стохастический язык с од-
нотипными операторами понадобился только для мате-
матического доказательства универсальности, т. е. спо-
собности решать любые задачи.
Математика обычно не подводила! Если математика
говорит: можно решить — значит, можно. Но кажется,
именно на биологии она даст первый сбой, и ее придет-
ся уточнять. Биология должна будет в конце концов от-
ветить на вопрос: что такое математика? Как и на чем
она работает? Как устроено то, на чем работает мате-
матика? Ведь как раз биология изучает устройство моз-
га человека.
Но разве важно, на каком устройстве работает мате-
матика? Да, это важно, если речь идет о предельных мо-
лекулярных устройствах. Здесь оказываются существен-
ными физические ограничения математики.
Идеи обычной математики имели существенный ус-
пех в биологии. Так, идея Мак-Каллока и Питтса о
нервной сети предсказала наличие возбуждающих и
тормозных синапсов на нейронах центральной нервной
системы. Идеи Г. Гамова (США) о кодировании пред-
варили успехи молекулярной биологии. Сработала ли
идея о молекулярной вычислительной машине?
Первоначальная идея о молекулярном компьютере
требовала, чтобы в клетке были адресные ферменты:
адресные РНКазы и ДНКазы, разрезающие молекуляр-
ные фразы на «слова», и адресные лигазы, сшивающие
«слова» в новые фразы. Это была обычная научная ги-
потеза: ее можно было опровергнуть или подтвердить
экспериментом. И если бы в клетке не оказалось адрес-
ных ферментов, гипотеза 1972 г. о МВМ была бы по-
просту ошибочной. Тогда же было предсказано не толь-
ко существование таких ферментов, но и запись несколь-
ких белков или кусков белка на одной считываемой с
28
ДНК молекуле РНК. Зачем такая запись? Прежде все-
го она экономна. Длина записи программы сборки бел-
ка плюс длина кусков, из которых они собираются, мо-
жет быть значительно короче длины, которая нужна для
записи белков на ДНК подряд. Но главное, конечно, это
необходимость иметь программные куски, на которых не
удается записать никаких белков, так как там записан
текст программ. Совершенно определенный текст, кото-
рый не заменишь другим.
Адресные ферменты в клетках уже открыты, и уста-
новлено, что белки записаны на ДНК не подряд, а яс
кускам. С ДНК считывается не тРНК, а длинный пред-
шественник тРНК — про-тРНК. Те куски прэ-
тРНК, которые составляют тРНК, названы
экзонами, а другие — интронами. Один из самых ма-
леньких белков — инсулин — содержит всего 50 амино-
кислот. Для его записи, следовательно, нужно 150 нук-
леотидов. У крысы, например, этот белок считывается с
двух разных мест ДНК. В первом месте содержится ин-
трон в 119 нуклеотидов, а во втором — «лишних» 563,
т. е. в 3 раза больше, чем «нужных». Еще недавно мно-
гие думали, что интроны просто выбрасываются. Но во г
уже внутри интрона одного гена открыт экзон другого
гена. У многих фагов наблюдается обратная картина.
Там белки записаны по одному месту дважды или даже
трижды. Чтение производится по адресу со сдвигом.
Ген, конечно, не текст белка. Ген — это записанная
молекулярными буквами программа для МВМ. Поэтому
он может определять такой сложный признак, как, на-
пример, фамильная форма носа.
«Почему гены в кусках» — так называлась статья,
появившаяся в 1980 г. в английском журнале «Nature».
А ответ был дан давно — в журнале «Биофизика» в
1972 г. На очереди поиск на ДНК текста программ по-
ведения организма и расшифровка смысла этих про-
грамм. Впрочем, в упомянутой статье из «Биофизики»
высказан ряд все еще не проверенных гипотез о значе-
нии и работе молекулярных текстов в МВ/М живых кле-
ток:
«1. Эволюция направляется посредством заранее за-
планированной выработки соответствующих серий ви-
русов.
2.	Большая часть ферментов, оперирующих в клетю
с молекулами-словами ДНК и РНКЭ работает только с
29
молекулами, имеющими определенный адрес, записан-
ный на самих молекулах-словах.
3.	Молекулярные вычислительные машины нейронов
участвуют в работе мозга. Мозг организован из «мыс*
лящих существ», обменивающихся сигналами (нервные
импульсы) и книгами (молекулы-слова). Сознание ло-
кализовано в данное время в одной нервной клетке или
в клетках, связанных «тесным контактом», в котором
разрешен обмен молекулами-словами.
4.	Феномен человека состоит в том, что нейроны спо*
собны превращать слова обычного языка людей в сло-
ва-молекулы РНК или даже ДНК.
5.	Слова разговорного языка универсально кодиру-
ются. Соответствующие молекулы очень похожи у лю-
дей, говорящих на одном языке, и сильно отличаются у
говорящих на разных языках».
Термин «молекулярная вычислительная машина»,
или «молекулярный компьютер», все чаще употребляет-
ся и кажется полезным. На большее автор этой книги
и не претендует, ведь придумыванием терминов люди за-
нимаются со времен Адама. Но главный вопрос — это,
конечно, что может делать Л1В/И, кроме управления син-
тезом белка? Принимает ли МВМ нейронов участие в
работе мозга?
Мы (Светлана Минина и я) показали, что нервные
клетки управляют своей проницаемостью изнутри. Гене-
раторный потенциал — ответ нейрона на синаптические
воздействия — вызывается появляющимся при таких
воздействиях внутри нейронов цАМФ. Но что лежит
между воздействием цАМФ и изменением проницаемос-
ти наружной мембраны? Какой внутриклеточной систе-
мой управляет цАМФ? И какое отношение имеет эта
система к молекулярной вычислительной машине ней-
рона? Нам кажется, что для ответа на этот вопрос нуж-
ны не только новые эксперименты. Нужна новая теория.
Причем эта теория затрагивает основание науки: и фи-
зику, и математику.
От мозга внутрь нейрона
Механизм работы мозга — главная из нерешенных
задач современной биологии. И не только биологии. По-
жалуй, это основная проблема всей науки.
30
В 4-м классе московской школы я встретил друга и
учителя на всю жизнь. Полгода спустя после нашего
знакомства Мика Бонгард решил, что мы будем зани-
маться наукой. «Выясним устройство мозга, — сказал
он — а для этого нам нужно окончить физический фа-
культет МГУ». Физфак мы кончили через 13 лет: по
5 лет в школе и в МГУ, а 3 — на фронте. Одиннадцать
лет было Мике, когда он поставил задачу изучить меха-
низм мышления. Бонгард решал ее до самой смерти.
А я уже 19 лет без него.
Физиология мозга — наука сравнительно молодая.
Начиная с работ английского физиолога Ч. Шеррингто-
на и испанского гистолога С. Рамон-и-Кахаля возникло
представление о том, что главное в работе мозга —
рефлексы, связанные с синаптическими взаимодействия-
ми. Сначала, как во всякой настоящей науке, идеи к
опыты были просты: укол возбуждает нервное оконча-
ние, сигнал от чувствительного нейрона через синапс
передается к мотонейрону. Мотонейрон шлет сигнал к
мышце, мышца сокращается — и животное отдергивает
лапу. Это и есть рефлекторная дуга. По существу, та
же идея до сих пор господствует в нейрофизиологии.
Добавились тормозные синапсы.
Теоретическое обоснование идея о мозге как о сис-
теме сложносвязанных нейронов получила в работе
Мак-Каллока и Питтса в 1943 г. Авторы рассмотрели
сеть из нейронов-сумматоров, имеющих порог, возбуж-
дающие и тормозные входы. Какие задачи способна ре-
шать такая сеть? Оказалось, она может любую последо-
вательность сигналов на произвольном числе входов пре-
вратить в заданную последовательность сигналов на
любом числе выходов.
Эта чисто математическая гипотеза легла в основу
экспериментальных работ многих нейрофизиологов. Од-
нако несмотря на огромные усилия блестящих исследо-
вателей, ни разу не удалось показать, как нейронная
сеть в деталях решает какую-нибудь более сложную за-
дачу, чем простой рефлекс, — задачу, хоть в какой-т<’
мере сопоставимую по сложности с теми, которые реша-
ет современная вычислительная машина. И это неудиви-
тельно. В реальном мозге между нейронами много слу-
чайных связей, и в деталях нервная сеть у каждого жи-
вотного индивидуальна. Если бы мозг действительно
функционировал так, как предполагали Мак-Каллок и
31
Питтс, было бы невозможно выяснить, как он работает.
Идеи и союзники. Идея о том, что переработ-
ка информации может происходить не только на нейрон-
ной сети, но и внутри нейрона, в общем виде высказы-
валась неоднократно. Шведский биолог Г. Хиден пред-
положил, что память записывается внутри нейронов на
нуклеиновых кислотах. Он и его последователи много-
кратно и безуспешно пытались подтвердить эту идею
лобовым экспериментом.
Однако, чтобы вести настоящий научный экспери-
мент, нужно предвидеть результат этого эксперимента.
Идея о роли нейрона может быть и весьма общей, но
она должна описать, как синаптическое воздействие пе-
редает сигнал внутрь клетки и как, хотя бы в общих
чертах, происходит переработка сигналов между вхо-
дом и выходом нейрона.
Никто не понимает, как рождаются научные гипоте-
зы. Можно лишь задним числом и потому неточно рас-
сказать о своем опыте. Началось с электрической энер-
гетики клетки. Мембранный потенциал митохондрий и
фотосинтезирующих частиц измерялся методом прони-
кающих ионов. Разность потенциалов на их мембранах
появляется после добавки окисляемого субстрата и кис-
лорода или после включения света и снимается ингиби-
торами и разобщителями окислительного фосфорилиро-
вания. А возникает эта разность потенциалов, когда
одиночные электроны передаются внутри мембраны ог
одного специального белка к другому. Именно на эти
белки действуют ингибиторы.
«Вот замечательная память», — подумал я. Подоб-
ные белки могли бы служить для запоминания. И тогда
для перевода элемента памяти из одного состояния в
другое нужен был бы всего один электрон. Пеэвая идея
о молекулярной электронной памяти была опубликована
на русском языке в 1969 г. Спустя 15 лет та же идея
опубликована в американском журнале Б. Чансом. Но-
вые идеи носятся в воздухе. Однако до сих пор не яс-
но, используется ли где-нибудь в живой клетке такая
электронная память. Организовать на таком принципе
большую память сложно: не ясно, как соединить моле-
кулярные элементы памяти проводниками электронов,
не заняв этими «проводами» практически все место в
компьютере.
Поэтому через три года я пришел к идее о молеку-
лярной вычислительной машине, работающей со слова-
ми РНК и ДНК- Но мало было найти хорошую идею,
нужно было проверить ее в эксперименте. Тогда вместе
с Л. Цофиной мы отправились в Институт молекулярной
биологии АН СССР. Мы пытались найти там необходи-
мое оборудование и методы для изучения адресных фер-
ментов, преобразующих, согласно идее о МВМ, РНК и
ДНК- Или на худой конец способы изучения последова-
тельности нуклеотидов в ДНК и РНК нервных клеток,
ответственных за запись в долговременной памяти текс-
тов разговорных языков. Однако ничего подобного най-
ти не удалось. Хотя в лабораториях на Западе соответ-
ствующие методы уже были разработаны. И не случай-
но именно в этих лабораториях били открыты и процес-
синг, и сплайсинг, и адресные РЬКазы и ДНКазы, и
рестриктазы, и сплейсосомы.
Пришлось выбрать другой путь изучения работы мо-
лекулярного компьютера: обнаружить МВМ в нейронах.
Рассуждали мы примерно так: если МВМ действительно
участвуют в работе мозга, то основная переработка ин-
формации должна происходить на внутри нейронном
уровне. Кроме того, нейроны — прекрасный объект для
изучения внутриклеточного компьютера, так как здесь
решаются проблемы, которые прт всей их сложности
представляют собой обычные физические задачи. Внут-
ринейронное движение молекулярных систем, необходи-
мое для решения задач механики, практически не изме-
няет физическую проблему, стоящую перед животным.
Изучив МВМ нейрона, можно надеяться не только
понять принципы работы мозга, но и детально изучить
основные механизмы и способы решения мозгом слож-
ных задач, таких, например, как управление многомер-
ными механическими системами тела животных. Эти за-
дачи ввиду их сложности, по-видимому, не могут быть
принципиально решены современными вычислительными
машинами и легко решаются мозгом животного.
Но как приступить к изучению компьютера нейрона?
Нужна гипотеза о том, что могло бы служить входом в
его молекулярную вычислительную машину. Скорее все-
го, это молекулярное слово. Самое короткое однобуквен-
ное циклическое РНК — знаменитый циклический АМФ.
Гипотеза была высказана мною на Международном био-
физическом конгрессе в 1972 г. Никакого энтузиазма
она не вызвала. Никто не хотел ее проверять. Даже мои
33
сотрудники, которые уже не раз поворачивали вслед за
мной по тернистой «столбовой дороге науки».
Нужно было искать новых союзников. Главный ра*
ботник нашелся скоро. Это была Светлана Минина, ко-
торая только что окончила МГУ и уже умела делать и
вводить удивительно тонкие микроэлектроды в нейроны.
Научили ее этому замечательные рукоделы и ученые
Алексей Леонтьевич Бызов и Юрий Андреевич Трифо-
нов. Мои сотрудники продолжали заниматься мембрана-
ми и биоэнергетикой все в том же подвале, где нас по-
сетил Ходжкин. /Места для новой установки не было.
И Бызов, у которого подвал был побольше, нас прию-
тил. Приютил в знаменитой лаборатории зрения, кото-
рой до него руководили наши замечательные биофизики
Николай Дмитриевич Нюберг и Михаил Моисеевич
Бонгард. В ней же тогда работал Альфред Лукьянович
Ярбус — психофизиолог, доказавший, что человек од-
ним глазом не видит неподвижных на сетчатке изобра-
жений, и создавший новую теорию цветового ощущения.
В этой лаборатории работает и Константин Васильевич
Голубцов, который изготовил электрофизиологические ус-
тановки для многих исследователей. Он сделал и нашу
первую установку и стал соавтором первых работ.
Экспериментальная работа началась. Надо было до-
казать, что циклический АМФ, который появляется вну-
три тела нейрона под действием медиаторов, действи-
тельно служит молекулярным сигналом, с помощью ко-
торого информация о синаптических воздействиях пере-
дается внутрь нервных клеток. Надо было понять, когда
и как эта информация влияет на выход нейрона.
Гиганты есть и среди нейронов. Минина
и я сделали попытку работать на привычной нам сет-
чатке. Но в ее мелкие или глубоко упрятанные нейроны
трудно ввести цАМФ. Электроды, не повреждающие та-
кие нейроны, были слишком тонкие, артефакты при про-
пускании через них тока были слишком велики.
Тогда мы стали искать большие и хорошо доступные
нейроны. В Крыму и на Кавказе живут виноградные
улитки, у которых нервные клетки достигают 200—30(1
микрон в диаметре. Нейроны улитки собраны в клубоч-
ки (ганглии). Часть ганглиев соединена нервами в око-
логлоточное кольцо. Это кольцо мы изолировали и за-
крепляли в экспериментальной камере.
Если снять с ганглия тонкую оболочку, то нейроны
34
рассыпаются и висят на аксонах как гроздь винограда.
Они хорошо видны в обычную бинокулярную лупу при
увеличении в 20—50 раз. Каждый нейрон лежит отдель-
но от других. В гигантские нейроны сравнительно легко
ввести много микропипеток. Если через микропипетку
вводится окрашенный раствор, то видно, как краска рас-
пространяется по нейрону. Есть много красителей, кото-
рые практически не меняют работу нейрона. И окрашен-
ные до черноты клетки нормально работают и генери-
руют нервные импульсы много часов.
Возбуждение нейронов. Опыты были постав-
лены на тысячах нейронов. Мы описывали только те
эффекты, которые наблюдались во всех неповрежден-
ных клетках. Макроскопическая биология не знает ста-
тистики. У всех аксонов есть возбудимая мембрана, во
всех клетках есть цитоскелет и ДНК- У митохондрий,
выделенных по определенной методике, в присутствии
субстрата и кислорода всегда есть мембранный потен-
циал.
Нейроны улитки е ответ на введение цАМФ всегда
дают генераторный потенциал — деполяризацию мем-
браны. Когда эта деполяризация достигает порога, ге-
нерируется серия нервных импульсов. Этот эффект мы
увидели в 1973 г. Сначала думали, что с большими ней-
ронами улитки ионофоретическое введение цАМФ не со-
ставит труда. Однако малые токи — меньше наноампе-
ра — не давали заметного эффекта. Из электродов ани-
он цАМФ выводится плохо. И его выход не достигает и
10% общего переноса заряда. В первой установке нуж-
ный ток инъекции (10 нА) давал большой артефакт.
Тогда мы попробовали инъекцию раствора давлением.
Раствор цАМФ вводили давлением вручную обыч-
ным шприцем для инъекций. Сделан был только специ-
альный привод, позволявший быстро ввести очень ма-
ленькую порцию. Эффект был отчетливый. Мы обрадо-
вались, но контроль — введение того же раствора без
цАМФ — давал сходный эффект. Правда, приходилось
вводить значительно больше раствора. Но мы искали
качественный результат. Значит, кужно вводить цАМФ
так, чтобы объем нейрона не менялся. Нужен электро-
форез. Причем такой электрофорез, который не вызыва-
ет электрического раздражения нейрона. Ток должен
течь только из одного внутриклеточного микроэлектро-
да в другой, расположенный в той же клетке.
35
С этой целью был разработан фотоэлектрический ге-
нератор тока. Ток в этом генераторе создается фотоум-
ножителями и зависит только от того, сколько света от
светодиодов подается на фотоумножитель. В результате
внутреннее сопротивление генератора тока очень вели-
ко. И даже если сопротивление электрода меняется, ток
инъекции или поляризующий ток, задаваемые освеще-
нием фотокатода, остаются постоянными. При этом лег-
ко сделать хорошую изоляцию от «земли», которой не
было в наших первых опытах, когда мы использовали
для микроинъекпий просто высоковольтную гальваниче-
скую батарею.
С новым электроинъектором сомнения в эффекте
инъекции цАМФ не было. Инъекция вызывала генера-
торный потенциал. Это был настоящий способ возбуж-
дения нейрона. Так же, как электрический ток является
настоящим способом возбуждения нервного волокна.
Действительно, именно ЦА2МФ появляется внутри нейро-
на при синаптической передаче. А внутринейронное вве-
дение такого же количества цАМФ вызывает деполяри-
зацию мембраны нейрона и генерацию кода нервных им-
пульсов.
Результаты опытов с введением цАМФ были опубли-
кованы в журнале «Биофизика» в 1975 г. Через год в
журнале «Nature» появилась статья американских ней-
рофизиологов С. Трестмана и И. Левитана, которые ут-
верждали, что внутриклеточная инъекция цАМФ эффек-
та не дает. Бессмысленно обсуждать, почему этим иссле-
дователям не удалось обнаружить эффект, который се-
годня воспроизведен во многих электрофизиологических
лабораториях как в Советском Союзе, так и за рубе-
жом. Однако нам пришлось снова поставить тысячи кон-
трольных экспериментов, чтобы убедиться в нашей пра-
воте. Но все же, когда мы еще через 2 года послали
статью в «Nature», ее отвергли, ссылаясь на Трестмана
и Левитана. Правда, один из рецензентов отмечал вы-
сокое качество наших экспериментальных результатов.
Но и он с возмущением отвергал статью за идею о мо-
лекулярной вычислительной машине нейрона, которую
мы себе позволили изложить в качестве гипотезы, объ-
ясняющей наши результаты.
ЭВМ управляет физиологическим
периментом. 1
у север шен ствова н а.
36
[ Э КС-
Сейчас установка для введения цАМФ
Четыре внутриклеточных микро-
электрода соединены с повторителями напряжения (для
измерения электрических ответов мембраны нейрона) и
с усилителем тока. К тем же электродам могут присое-
диняться фотоэлектрические генераторы тока для ионо-
форетического введения заряженных веществ. Те же ге-
нераторы используются для создания поляризующего
тока и тока, фиксирующего мембранный потенциал.
Инъекция веществ давлением может производиться че-
рез те же внутриклеточные микропитетки, которые с по-
мощью специального зажима соединяются с газовым
баллоном через редуктор и электролневматические кла-
паны. Эти клапаны и фотоэлектрический генератор уп-
равляются электронной вычислительной машиной.
Растворы, выводимые из электродов давлением, дол-
жны быть хорошо профильтрованы [ли очищены от пы-
ли центрифугированием. Иначе тогкий кончик быстро
забивается и перестает выводить раствор.
Влияние цАМФ на проницаемости мембраны нейрона
зависит не только от потенциала и времени, но и от со-
стояния внутринейронной управляющей системы.
Поэтому когда мы разработали методику использования
ЭВМ, работающей в реальном масштабе времени и уп-
равляющей физиологическим экспериментом, то поняли,
какие огромные преимущества дает экспериментатору
такая установка.
Выбрать ЭВМ и купить ее в 2 раза дешевле, чем
предлагали внешнеторговые организации, помог нам
Л. Миркин. В нашей установке используется трехка-
нальный аналого-цифровой преобразователь и двухка-
нальный цифроаналоговый преобразователь с макси-
мальными скоростями работы 70 кГц. Управляющая
экспериментом программа позволяет одновременно за-
писывать в долговременную памяти ЭВМ потенциалы
на трех электродах или ионный ток через мембрану
нейрона, управляющий им сдвиг мембранного потен-
циала и еще одну величину по выбору экспериментато-
ра. Одновременно ЭВМ управляет каналами фотоэлек-
трического генератора тока или двумя каналами элек-
тропневматической системы подачи давления.
Перед началом эксперимента создается специальный
управляющий файл (набор данных), осуществляющий
заранее заданную экспериментатором последователь-
ность операций. Причем создание зтого файла не тре-
бует от оператора особых знаний. Управляющая про-
37
грамма создается в диалоге с ЭВМ. ЭВМ спрашивает,
сколько времени вести запись, когда и из каких элек-
тродов подавать вещества, когда пропускать ток и какой
формы он должен быть, и т. д.
Протокол опыта выводится на графопостроитель.
Кроме калиброванных экспериментальных кривых, он
содержит сведения о дате и моменте аналогового ввода,
об управлении экспериментом, осуществлявшимся ЭВМ,
и комментарии, которые вводились во время и после
опыта. Рисовальные программы позволяют выводить на
графическое устройство отдельные экспериментальные
кривые или их части, в том числе отыскивать потенциа-
лы действия по номеру и сравнивать их форму; а также
собирать рисунки из нескольких экспериментальных
кривых и размещать их на двух- или трехмерных графи-
ках.
Нейрон
управляет
гене р атор н ым
п G-
тенциалом изнутри. Когда изучаешь новый эф-
ект, перед тобой встают проблемы, которых не знает
Э£
большинство научных работников. Прежде всего не яс-
но — это эффект или артефакт. Ведь ничего по этому
поводу нельзя прочесть ни в какой научной литературе.
Наоборот, все ранее опубликованные данные сбивают
нас с толку. Так было с эффектом цАМФ. Имелась об-
ширная литература, в которой содержались косвенные
данные о том, как цАМФ должен влиять на мембран-
ный потенциал нейронов. Например, были данные о том,
что медиатор норадреналин повышает концентрацию
цАМФ в нервной ткани. В то же время, если норадрена-
лин подводили к нейрону из микропипетки, обычно на-
блюдалась гиперполяризация мембраны.
Поставить лобовой эксперимент — ввести цАМФ
внутрь нейрона — до нас никто не смог. Вместо цАМФ
пользовались его проникающим через мембрану анало-
гом — дибутириловым производным цАМФ. Этот аналог
в пробирке так же влияет на протеин киназу, как цАМФ.
И ни у кого не было сомнений, что и внутри нейрона он
действует так же. Это убеждение оказалось ошибкой.
Примерно у половины нейронов дибутирил-цАМФ при
внешнем приложении вызывал гиперполяризацию. Эта
статистика была получена в США в электрофизиологи-
ческой лаборатории Ф. Блюма. Позже, правда, ряд
групп опровергал их результаты. Но наше положение
это не облегчало.
38
Нужно было снова и снова ставить контроля и раз-
рабатывать новые методы — такие, чтобы эффект
цАМФ был виден в каждом нейроне. Внутри клетки вве-
денный цАМФ быстро разрушается специальным фер-
ментом фосфодиэстеразой. Известно много ингибиторов
этого фермента. Один из них — широко применяемый в
медицине папаверин. Прежде всего он расслабляет глад-
кую мускулатуру, поэтому его применяют для снятия
спазм и снижения кровяного давления.
В нейроне повышение внутриклеточной концентрации
цАМФ, по нашим данным, вызывает деполяризацию
мембраны. Папаверин же должен продлевать и увеличи-
вать деполяризующий эффект внутринейронной инъекции.
Почти сразу мы убедились, что это так. Быстрый депо-
ляризующий эффект цАМФ продлевался папаверином и
другими ингибиторами фосфодиэстеразы. И это вновь и
вновь наблюдалось у всех нейронов улитки.
Разобрались мы и с тем, что нам сначала казалось
механическим артефактом. Деполяризующий эффект
введения внутрь нейрона больших порций раствора, уве-
личивающих объем нейрона больше чем на 10%, мог бы
быть, например, следствием механического повреждения
мембраны. Оказалось, что это настоящий способ меха-
нического раздражения нейрона.
Для того чтобы наблюдать эффект химического раз-
дражения нейрона, вводя цАМФ давлением, надо точно
дозировать вводимый объем раствора и следить, чтобы
этот объем не превышал 1% объема нейрона. Управляе-
мый ЭВМ электропневматический клапан позволяет это
сделать, и введение цАМФ давлением дает такой же ге-
нераторный потенциал, как при ионофоретическом вве-
дении этого вещества. Зато давлением, используя кон-
центрированные растворы, можно без труда ввести зна-
чительно большее количество цАМФ и получить боль-
шой эффект. Большой эффект — это важно. Значит, ка-
налов, управляемых цА1МФ изнутри, — много.
Но то, что механический эффект отнюдь не артефакт
повреждения мембраны, — стало понятно не сразу.
Прежде надо было доказать, что сам эффект ионофоре-
тической инъекции цАМФ не артефакт. И что такого эф-
фекта не дает ионофорез других ионов. Были испытаны
десятки различных ионов: калий, натрий, хлор, цитрат,
АТФ, АМФ, кальций, магний и другие. Ни одни из них
39
при ионофоретическом токе в 20 нА не давал ничего по-
хожего на эффект цАМФ.
Измерение ионного тока. Ионный ток че-
рез мембрану обычно измеряют методом фиксации по-
тенциала, разработанным американским физиологом
К- Колом. Для этого использовали специальный усили-
тель с обратной связью. Такая аппаратура была необ-
ходима для изучения ионных токов, ответственных за
генерацию нервного импульса по двум причинам. Ион-
ная проницаемость мембраны аксона зависит от потен-
циала, и происходит быстрая инактивация возникающей
при деполяризации мембраны проницаемости. Ничего
подобного не наблюдается при инъекции цАМФ. Поэто-
му в работе, опубликованной в журнале «Биофизика» в
1977 г., мы использовали нетрадиционный метод изме-
рения ионного тока при постоянном потенциале.
Опыт проходил так. Включали ток, увеличивающий
разность потенциалов на мембране. Вы помните, что это
такой ток, когда положительные заряды идут из наруж-
ного раствора внутрь. После этого через 2 находящихся
внутри нейрона микроэлектрода пропускали ток, инъе-
цирующий цАМФ. Величину тока инъекции выбирали
такой, чтобы разность потенциалов на мембране возвра-
щалась к прежнему уровню. Дальнейшая постоянная
инъекция цАМФ не меняла разности потенциалов на
мембране. И следовательно, поляризующий ток был ра-
вен ионному току, возникающему в ответ на инъекцию
цАМФ при потенциале покоя.
Нам казалось, что это очень просто. Но электрофи-
зиологи привыкли пользоваться стандартной процеду-
рой и стандартной аппаратурой, работа которой отнюдь
не обязательно понятна исследователю. Методика полу-
чила стандартное английское название — «клямп» по-
тенциала на мембране. И многие думали, что ионный
ток в ответ на инъекцию цАМФ нельзя измерять нашим
способом.
Для быстрой фиксации потенциала на мембране
вместо обычного усилителя с обратной связью мы ис-
пользовали универсальную ЭВМ. Величина мембранно-
го потенциала V0(t), которую нужно фиксировать, и
момент времени t, когда нужно фиксировать эту величи-
ну, задаются программой. Измеряемая величина мем-
бранного потенциала Vm(t). Программа вычитает
Vm(t) из V0(t), умножает полученную величину на за-
40
данный коэффициент к и пропускает через другой внут-
риклеточный электрод ток
1 = k{V0(t)-Vm|t)},
который поддерживает на мембране нейрона разность
потенциалов, равную Vo(t). Видите, как просто. Теперь
экспериментатор знает, что делает его аппаратура.
Форма ответов на инъекцию цАМФ, который вво-
дился коротким импульсом давления, сзязана с диффу-
зией цАМФ и сложными внутриклеточными процессами.
Еще более сложная форма тока возникает при ионофо-
ретической инъекции. Величина максимума тока, выз-
ванного инъекцией постоянной порции цАМФ, может
меняться со временем. Кроме того, эта величина сложно
и по-разному у разных нейронов зависит от мембранно-
го потенциала. Поэтому зависимость максимума тока,
вызванного инъекцией цАМФ, от уровня фиксированно-
го потенциала не позволяет делать вывод об ионном ме-
ханизме этого эффекта и необходимо измерять потенци-
ал реверсии ответа.
Циклический ЛМФ управляет новым типом ионной
проницаемости мембраны нейрона изнутри клетки. По-
этому различие ответов на инъекцию одинаковой пор-
ции цАМФ может быть связано с изменением внутрн-
нейронной активности ферментов, например активности
фосфодиэстеразы. Ясно, что клетки способны управлять
этой активностью. Таким образом, разные последова-
тельности импульсов, генерируемые одним нейроном,
могут возникать не только из-за межнейронной, но к в
результате внутринейронной переработки информации.
Какие же и о н_ы участвуют в проницае-
мости нового типа? Для того чтобы определить,
какие ионы участвуют в реакции на цАМФ, необходимо
измерять потециал реверсии ответа. Что такое потенци-
ал реверсии? Помните, как Ходжкин доказал избира-
тельную проницаемость мембраны нервного волокна
для ионов калия? Для этого меняли концентрацию
ионов в наружном и внутреннем растворах и измеряли
величину возникающего потенциала покоя. Потенциал
на мембране был равен нулю только тогда, когда кон-
центрации калия снаружи и внутри были равны. Если
внутри калия больше — то снаружи мембраны потен-
циал положительный по отношению к внутреннему ра-
створу. Если калия больше снаружи — разность потев-
41
цяалов меняет знак. Или» как говорят, происходит ре-
версия знака потенциала.
Можно поступить иначе. Так действовали английские
физиологи П. Фет и Б. Катц, когда определяли ионную
проницаемость, вызываемую в постсинаптической мем-
бране мышечных волокон медиатором ацетилхолином.
В нервно-мышечном синапсе этот медиатор вызывает
деполяризацию. Она ведет к генерации распространяю-
щегося по мембране мышечного волокна электрического
импульса, который вызывает вход внутрь волокна каль-
ция. Это, в свою очередь, приводит к выбросу кальция
из внутриклеточных пузырьков. Этот кальций включа-
ет молекулярную механику.
Ионную проницаемость, индуцируемую ацетилхоли-
ном, можно определить, изменяя разность потенциалов
на мембране мышечного волокна. На вершине спайка,
когда эта разность потенциалов меняет знак, оказыва-
ется противоположным и знак пост синаптического по-
тенциала. В этом опыте надо определить разность потен-
циалов, когда синаптический потенциал вообще не воз-
никает. Это и есть потенциал реверсии.
Не просто менять разность потенциалов на мембране
мышечного волокна. Стоит ее уменьшить до пороговой
величины, как генерируется электрический импульс
(спайк), за которым к тому же следует мышечное со-
кращение, ломающее внутриклеточный электрод. Прав-
да, сокращение можно заблокировать или использовать
электроды с подвижным кончиком. Но главное в краси-
вой идее Фета и Катца состояло в том, чтобы исполь-
зовать сам электрический импульс для изменения потен-
циала на синаптической мембране.
Внутриклеточный микроэлектрод находился в облас-
ти постсинаптической мембраны. Если раздражать элек-
трическим током мышечное волокно, то спайк в этой об-
ласти имеет обычный вид. Раздражение нерва вызы-
вает импульс измененной формы: сначала возникает си-
наптический потенциал, который постепенно переходит
в растянутый спайк. Теперь будем производить электри-
ческое раздражение и раздражение нерва, подбирая за-
держку между этими раздражениями так, чтобы распро-
страняющийся электрический импульс менял разность
потенциалов в области синаптической мембраны, когда
ча ней возникает синаптический потенциал. Амплитуда
42
спайка уменьшается. Это как раз и означает реверсию
синаптического потенциала.
Эти опыты были сделаны 35 лет назад. Теперь в
распоряжении исследователей есгь прямые способы удер-
живать разность потенциалов на исследуемых мембра-
нах на заданном уровне. Вместе реверсии потенциала в
этом случае удается прямо наблюдать реверсию ионно-
го тока. Мы уже писали, что для фиксации потенциала
можно использовать усилитель с обратной связью. Еще
удобнее — описанный выше метод, когда напряжение на
заданном уровне поддерживает ЭВМ.
Не надо, конечно, думать, iro после того как ЭВМ
втащили в лабораторию (а наша машина в отличие от
современных была большой, и нам дали вместе с ней
большое помещение), опыты пошли сразу. Для созда-
ния новой методики и программ нужны были новые лю-
ди и время. Никита Шкловский и Боря Юсин работали
в поте лица. Мы обнаружили регерсию цАМФ-тока у ней-
ронов, помещенных в физиологический раствор без
ионов натрия. Сомнений не было, эти данные показыва-
ли, что внутринейронная система, управляемая цАМФ,
увеличивает проницаемость наружной мембраны глав-
ным образом для ионов натрия.
Однако мы очень нескоро позволили себе сделать
окончательный вывод. Дело в том, что сопротивление
мембраны нейрона при внутриклеточной инъекции
цАМФ вело себя странно. В некоторых случаях оно дей-
ствительно снижалось, как и следовало ожидать, если
механизм действия цАМФ сводглся к увеличению про-
ницаемости для ионов натрия. Но и тут снижение сопро-
тивления было меньше предсказанного теорией. У дру-
гих нейронов сопротивление вовзе не снижалось, а в
редких случаях даже увеличивалось. Трудно было пове-
рить, а тем более доказать, чтс одновременно с повы-
шением проницаемости для наприя цАМФ вызывает
уменьшение проницаемости для ионов калия. Именно
поэтому сопротивление мембраны меняется мало. Мем-
брана нейрона всегда проницаема не только для ионов
калия, но и для ионов натрия. Поэтому, когда проницае-
мость для ионов калия уменьшается, снижается и раз-
ность потенциалов на мембране. Одновременное увели-
чение проницаемости для натрия и снижение проницае-
мости для калия — наиболее эффективный способ соз-
дать на мембране нейрона генераторный потенциал, ко-
43
торый вызывает в аксоне код нервных импульсов — ре-
шение задачи, поставленной перед нейроном.
Новый тип проницаемости мембраны, вызываемой
инъекцией цАМФ, не имеет прямой зависимости от по-
тенциала и медленно инактивируется при длительной
деполяризации. Поэтому потенциал реверсии можно оп-
ределить не только традиционным методом фиксации
потенциала на мембране.
Быстрая инактивация натриевых и калиевых кана-
лов, ответственных за генерацию потенциалов действия,
после сдвига потенциала в сторону положительных зна-
чений большим деполяризующим током позволяет наб-
людать в физиологическом растворе реверсию знака по-
тенциала, вызываемого инъекцией цАМФ. У большинст-
ва нейронов одновременно происходит снижение прони-
цаемости для ионов калия. Это хорошо видно при поло-
жительных потенциалах на мембране нейрона, когда
вслед за направленной вниз реверсировавшей натрие-
вой компонентой появляется направленная вверх компо-
нента изменения мембранного потенциала, связанная с
уменьшением проницаемости для ионов калия.
Почему цАМФ, а не кальций? Действитель-
но, почему не кальций, который включает внутри мы-
шечной клетки молекулярную механику? Мы уже рас-
сказали, что и в самой нервной клетке кальций переда-
ет сигнал внутрь нервных окончаний. Здесь он стимули-
рует выделение медиатора.
Дело в том, что кальций в обоих этих случаях вхо-
дит внутрь клетки в то время, когда на ее мембране ге-
нерируется потенциал действия. Входит он во время по-
тенциала действия и внутрь тела нейрона. А у тела ней-
рона специфическая функция. Здесь решаются задачи,
которые ставят синаптические воздействия других нерв-
ных клеток.
В отличие от секреторных клеток (выделяющих бел-
ки), от нервных окончаний (выделяющих медиатор) и
от мышечных волокон (производящих движение) здесь
а теле нейрона создается информация — продуцируются
коды нервных импульсов. Это выход МВМ нейрона.
Каждый нервный импульс вызывает вход кальция в ней-
рон. Именно поэтому кальций не может служить вход-
ным сигналом для системы, перерабатывающей синап-
тические влияния внутри тела нейрона. Иначе ситуация
была бы такой же, как если бы сигнал из гролмкоговори-
44
теля, усиливающего голос певца, влиял на его микро-
фон. Вместо пения возникнет громкий свист.
Чтобы избежать такого эффекта, внутриклеточным
сигналом в теле нейрона служит цАМФ. Кальций вхо-
дит в тело нейрона, и нам надо было понять, почему он
не влияет на эффект цАМФ при нормальной работе ней-
рона? Значительное увеличение и уменьшение внутри-
нейронной концентрации свободного кальция при введе-
нии буферных растворов вызывают гиперполяризацию
мембраны. Но при обычных физиологических условиях
высокая буферная емкость внутри нейрона приводит к
тому, что значительного сдвига внутринейронной кон-
центрации свободного кальция не происходит.
Вход кальция активирует фосфодиэстеразу. Цикли-
ческий АМФ разрушается быстрее, и его эффект должен
был бы уменьшиться. Такое уменьшение действительно
удается наблюдать в
специальных опытах.
Однако с
другой стороны, внутриклеточная инъекция кальция мо-
жет увеличивать эффект цАМФ за счет разобщающего
действия свободного Са2+ на митохондрии. По-видимо-
му, в норме эти два эффекта компенсируют друг друга.
И хотя фосфодиэстераза активируется, входящий каль-
ций не меняет кода импульсов, которые должен пере-
дать нейрон. Не исключено, что вход кальция служит
для контроля, подобного тому, который осуществляет
наш слух, контролируя нашу речь.
Задержка ответа на инъекцию цикли-
ческих нуклеотидов. Записи экспериментальных
кривых хранятся в памяти машины. И это дает дополни-
тельные преимущества. Можно после эксперимента под-
робно рассмотреть любой кусочек записи, изменив мас-
штаб времени. Поэтому очень легко измерить задержку
быстрого ответа на цАМФ.
Величина этой задержки очень существенна, так как
для молекул цАМФ нужно время, чтобы успеть дойти
до места, которое управляет мембранной проницае-
мостью. Если это место находится на наружной мембра-
не нейрона, то для использованных в опытах гигантских
нейронов это время должно быть подчас больше 10 с.
Мы помнили об этом и измеряли задержку7 еще до того,
как стали использовать в эксперименте ЭВМ. Тогда
инъекция производилась ионофэрезом, и нам показа-
лось, что задержка равна нескольким секундам, т. е.
достаточно велика.
45
Однако когда методика была улучшена и цАМФ на-
чали вводить коротким импульсом давления, задержка
оказалась слишком короткой, для того чтобы в крупных
нейронах диаметром более 200 мкм цАМФ мог дойти
от кончика электрода до мембраны в результате обыч-
ного диффузионного процесса. Во всех случаях, когда
кончик электрода находился на расстоянии больше
100 мкм от мембраны, она оказывалась меньше 0,2 с.
Причем надо иметь в виду, что задержка считается не
от момента введения цАМФ, а от момента подачи элек-
трического сигнала на пневматический клапан, и следо-
вательно, реальная задержка еще меньше. Наблюдаемая
задержка не зависит ни от диаметра нейрона, ни от вре-
мени инъекции, но возрастает во время опыта.
Раствор цАМФ был окрашен. При выведении корот-
ким импульсом давления появление окрашенного ра-
створа хорошо видно. Сначала около кончика возника-
ет маленький шарик диаметром 10—20 мкм, затем кра-
ситель примерно за 10 с распространяется по всей клет-
ке, а позже — через несколько минут — собирается в
ядре. Когда кончик электрода находится в ядре, краси-
тель из ядра практически не выходит, а ответ наблюда-
ется через десятые доли секунды.
Приходится предположить, что цАМФ взаимодейст-
вует со структурами вблизи кончика электрода. Возник-
ла гипотеза, что быстрый ответ нейрона на цАМФ выз-
ван новым типом биофизических и биохимических про-
цессов. Тут мы взглянули по-новому на механический
ответ.
«Раздувание» нейрона.Наверное, вы помните
о знаменитой академии Лапуты, которую посетил Гул-
ливер, и о знаменитых лапутянских опытах. Все эти
опыты впоследствии были воспроизведены учеными ре-
альных академий, и все они дали блестящий результат,
И конденсация энергии света в огурцах — фотосинтез,
и стохастическая вычислительная машина — в виде со-
временных ЭВМ, и наконец, раздувание собаки — ис-
следование механорецепторов внутренних органов. Мы
тоже пошли по этому пути на современном внутрикле-
точном уровне.
Ответ на механическое раздражение тела нейрона
раздуванием напоминает быстрый ответ на инъекцию
цАМФ. Опыты показали, что чувствительность к механи-
ческому раздражению не артефакт, а настоящий физио-
46
логический эффект. Нейрон отвечает на раздувание как
механорецептор. Сходными оказываются и изменения
проницаемости. Удается многократно вызывать этот от-
вет без повреждения мембраны. Более того, быстрый от-
вет на инъекцию цАМФ, по-видимому, опосредован не
активацией протеинкиназы и фосфорилированием мем-
бранных белков, а механическим сигналом.
Но какие внутринейронные структуры могут переда-
вать этот сигнал к ионным каналам мембраны? У них
уже есть общее название — цитоскелет.
Химия, акустика и математика
Молекулярный каркас живой клетки.
В 1976 г. группа американских цитологов опубликовала
статью, в которой рассказала о результате обработки
клетки неионным детергентом. Метод был не нов, детер-
генты давно использовали для выделения (растворения)
белков мембран. Однако авторы этой работы задались
целью противоположной — они хотели посмотреть, что
останется от клетки, если аккуратно удалить мембрану.
А осталось неожиданно много. Большая часть белков
клетки удерживается не мембраной. Они фиксированы
на общей структуре так, что внешний вид клетки после
разрушения мембраны детергентами, не разрушающими
эту структуру, почти не меняется. Полученный таким
способом остаток авторы назвали цитоскелетом.
В начале это слово употребляли как научный жар-
гон. Действительно, в зависимости от способа, которым
обрабатывают клетку, можно получить остов самого
разнообразного состава. Однако слово удачно объеди-
няло целый класс молекулярных волокнистых образова-
ний внутри клетки, отвечающих и за постоянство, и за
изменение клеточной формы, и за движение клеток и их
внутреннюю организацию. Кроме того, уже было собра-
но много данных о молекулярных основах клеточного
поведения, которые создали основы «биохимической ана-
томии» клетки. Здесь термины «клеточные мышцы» п
«клеточные кости» были вполне уместны и никого не
пугали. Так постепенно формулировалась концепция ци-
тоскелета — сложной структуры, пронизывающей всю
клетку, отдельные части которой тесно связаны между
47
собой и с другими внутриклеточными органеллами в
одно целое.
Цитоскелет — структура подвижная, и существуют
практически малоизученные механизмы, поддерживаю-
щие его постоянство или, наоборот, осуществляющие
его быструю, подчас глобальную, перестройку в течение
миллисекунд. Не удивительно, что делаются попытки
найти более подходящий термин для такого динамично-
го образования. Однако чем больше изучают структуру
и функции основных компонентов цитоскелета — мик-
ротрубочек, микрофиламентов, интерфиламентов, — тем
труднее становится сравнить их с чем-то и назвать по-
новому.
В 1984 г. американский цитолог К. Портер, описывая
историю открытия им и его коллегами микротрабеку-
лярной сети — структуры, по-видимому, связывающей в
одно целое все внутриклеточные образования, предло-
жил новый термин — цитопласт. Эта концепция предпо-
лагает наличие некоего плана клеточной архитектуры и
развития. Но где его читать?
На этот вопрос нет ответа. Пока лишь продолжает-
ся знакомство с отдельными структурами, гора фактов
растет, и большинство биологов все меньше надеется на
возможность взглянуть на них с единой точки зрения,
на возможность создания теоретической биологии. Я же,
глубокоуважаемый читатель, надеюсь на большее — на
создание единой науки.
Что же может объединить весь этот запутанный,
чрезвычайно разнообразный и быстро меняющийся, со-
стоящий из огромного количества разных белков клеточ-
ный каркас. Есть простая идея. Это кванты механичес-
ких колебаний — квазичастицы и квазиволны, просмат-
ривающие его структуру и объединяющие ее в кванто-
вый компьютер. Квантовый компьютер создается по про-
грамме, записанной на ДНК. Переработка этой про-
граммы позволяет создавать тексты разнообразных ми-
норных белков. И если решение квантового компьютера
способно менять ДНК, то это уже настоящая управляю-
щая система — система с внутренней точкой зрения.
Именно из такой идеи о роли нейронного цитоскеле-
та мы исходили, объясняя короткую задержку эффекта
внутринейронной инъекции цАМФ. Мы предположили,
что эффект начинается с прямого взаимодействия цАМФ
с цитоскелетом вблизи кончика электрода. Здесь повею-
48
ду есть микротрубочки и связанный с ними белок
МАП2. В теле нейронов значительная часть протеинки-
назы (фермента, активируемого цАМФ) не известно за-
чем тесно связана с этим белком. Причем тесно связана
только регуляторная субъединица, на которую садится
цАМФ. Мы предположили, что связывание инъецирован-
ного цАМФ с этим белком вызывает механический сиг-
нал, распространяющийся к мембране со скоростью,
приближающейся к скорости звука. Словом, это не про-
сто химия, а еще и акустика.
Эту идею мы развиваем уже 10 лет, с тех пор как
начали заниматься теоретической биологией. Мы дума-
ем, что теоретическая биология существует, опубликова-
ли по этому поводу десяток статей. Теоретическая био-
логия собирается стать основанием математики. А кван-
товый компьютер—система с внутренней точкой зрения,
осуществляющая управление, без которого нет матема-
тики, как раз и должен быть таким — использующим
элементарные механические квантовые квазичастицы —
квазиволны (См.: Предельный молекулярный квантовый
регулятор. — Биофизика, 1983).
Ингибиторы г е нер а 1 о р н о го потенциа-
ла. Вначале, обнаружив возникновение генераторного
потенциала при внутринейронном введении цАМФ, мы
предположили, что изменение проницаемости мембраны
возникает в результате ранее известного механизма дей-
ствия цАМФ — активации протеинкиназы. Предполага-
лось, что изменение проницаемости происходит в резуль-
тате фосфорилирования каталитической субъединицей
этого фермента белков мембран, управляющих канала-
ми проницаемости. Это предположение до сих пор от-
стаивают американский биохимик П. Грингард и его
единомышленники.
Однако малая задержка показывает, что времени на
фосфорилирование нет. И более того, средн изученных
нами ингибиторов протеинкиназы только вещества, пре-
пятствующие взаимодействию цАМФ с регуляторной
субъединицей (различные плохо гидролизуемые аналоги
цАМФ и толбутамид), уменьшают влияние цАМФ на
проницаемость мембраны тела нейрона. Влияние, напри-
мер, дибутирил-цАМФ внутри нейрона прямо противо-
положно его влиянию в пробирке: в биохимических опы-
тах он — аналог цАМФ, а в опытах с инъекцией в ней-
рон не только не аналог, но конкурентный ингибитор.
49
Именно этим отчасти можно объяснить путаные ре-
зультаты, которые давала внеклеточная аппликация
этого проникающего «аналога» цАМФ.
Вещества, подавляющие фосфорилирование АДФ, по-
разному влияют на амплитуду цАМФ-тока. Те из них,
которые подавляют синтез АТФ в результате остановки
реакций окисления и гликолиза и путем прямого инги-
уменьшают эффект цАМФ.
бирования АТФ-синтетазы,
В то же время разобщители окислительного фосфорили-
рования, ускоряющие эти реакции и также прекращаю-
щие фосфорилирование АДФ, увеличивают амплитуду
нАМФ-тока в 10 раз.
Эти результаты подтверждают гипотезу о том, что
цАМФ вызывает внутринейронную переработку сигна-
лов вследствие нового типа внутриклеточных процессов.
Для проверки гипотезы о роли микротрубочек мы
использовали вещество, ингибирующее их сборку, —
нокодазол. Предварительная инкубация ганглиев с но-
кодазолом при низкой температуре уменьшала эффект
цАМФ. Отмывание нокодазола при комнатной темпера-
туре вело не только к восстановлению эффекта, но и к
значительному уменьшению задержки.
Необычная энергетика ответа нейрона
на цАМФ. Действительно, энергетика быстрого отве-
та на цАМФ поражает. Причем эта необычная энерге-
тика в отличие от малой задержки была нами обнару-
жена не случайно. Основываясь на гипотезе о том, что
молекулярная вычислительная машина клетки управля-
ет квантовым гиперзвуковым молекулярным регулято-
ром, мы предвидели такую энергетику.
Предположим, что взаимодействие цАМФ с регуля-
торной субъединицей протеинкиназы, связанной с МАР2,
включает генератор звука, расположенный на микротру-
бочке. Для того чтобы распространялся механический
сигнал, содержащий очень высокочастотные компоненты
(1010 Гц и больше, если это не солитоны), Необходима
подкачка энергии. Где взять энергию для механических
колебаний? Да все химические реакции, теку
ще в про-
топлазме, создают такие колебания! Вот мы и предпо-
ложили, что генератор использует тепловую подкачку за
счет всевозможных биохимических реакций, протекаю-
щих в цитоплазме, в непосредственной близости от мик-
ротрубочки. Ведь кристаллическая структура микротру-
бочек напоминает кристалл обычного лазера, а высоко-
50
частотный звук (тепловые колебания метаболических
реакций) — лампу накачки этого лазера.
Если гипотеза о тепловой накачке генератора звука
верна, то всякий разобщитель, ускоряющий биохимичес-
кие реакции, должен усиливать ответ на инъекцию
цАМФ, а охлаждение и ингибиторы, тормозящие мета-
болизм, должны его уменьшать. Первым подтверждени-
ем этой гипотезы были эксперименты с арсенатом и ва-
надатом.
Арсенат и ванадат — аналоги фосфата. При окисли-
тельном фосфорилировании к АДФ присоединяется фос-
фат и образуется АТФ. Вместо фосфата в этой реакции
может участвовать арсенат. Однако образовавшееся
соединение АДФ-арсенат немедленно i идролизуется, и
вся энергия идет в тепло. Поэтому арсенат — разобщи-
тель, ускоряющий ход всевозможных биохимических
реакций, связанных как с гликолизом, так и с окисли-
тельным фосфорилированием. Арсенат увеличивает
эффект цАМФ в нейроне. Ванадат в отличие от арсена-
та является скорее ингибитором, чем разобщителем, так
как он, образно говоря, застреваем в зубах у ферментов
и останавливает их работу. И в соответствии с предска-
заниями ингибитор ванадат уменьшал эффект цАМФ.
Были изучены всевозможные ингибиторы и разобщи-
тели. Основная тяжесть этой работы легла на Ольгу
Мякотину, которая по окончании МГУ стала нашим
компетентным помощником.
Нужно иметь в виду, что как разобщители, так и ин-
гибиторы снимают мембранный потенциал митохондрий
и освобождают кальций. В результате концентрация сво-
бодного кальция в протоплазме нейронов увеличивает-
ся, поскольку он удерживается в митохондриях электри-
ческим полем. По этой причине сам кальций также яв-
ляется разобщителем окислительного фосфорилирова-
ния. Однако стимулирующий эффект разобщителей и
тормозящий эффект ингибиторов сохраняется после виу-
тринейронной инъекции Са-ЭГТА-буфера, поддерживаю-
щего внутринейронную концентрацию кальция. Итак,
удалось показать, что именно цАМФ — та сигнальная
молекула, которая вызывает генераторный потенциал в
теле нейрона. Наши данные были подтверждены совет-
скими и зарубежными учеными на нейронах различных
видов наземных и морских моллюсков. Теперь уже нег
сомнений, что внутри нейрона происходит быстрая пере-
51
работка информации. И время между приходом синап-
тического сигнала и нормальным ответом нейрона ока-
зывается достаточным для срабатывания внутринейрон-
ной системы, управляемой цАМФ.
Так была подтверждена гипотеза о внутринейронной
переработке информации.
Эффект цАМФ интересен тем, что это вещество —
первый открытый внутринейронный медиатор, управ-
ляющий проницаемостью мембраны изнутри тела нейро-
на. В настоящее время обнаружено несколько веществ,
также претендующих на роль внутриклеточных медиато-
ров. Однако достоверных данных о влиянии этих ве-
ществ на проницаемость мембраны нейрона пока нет.
Эффект цАМФ интересен малой задержкой и сходст-
вом с влиянием механического раздувания нейрона. От-
вет наступает так быстро, что нет времени для диффу-
зии цАМФ до наружной мембраны и фосфорилирования
ее белков, как это предполагают Поль Грингард и дру-
гие авторы, пытающиеся имитировать эффект цАМФ с
помощью регуляторной субъединицы протеинкиназы.
Обнаруженный нами эффект цАМФ другой. Можно
думать, что введенный цАМФ взаимодействует с регу-
ляторной субъединицей протеинкиназы, которая, как
было показано, связывается с ассоциированным с микро-
трубочками белком МАП2. Такое связывание было по-
казано у нейронов, причем в дендритах и теле клетки,
но не в аксонах.
Переключающая среда. Еще в 1978 г. мы
предположили, что в результате такого взаимодействия
цАМФ с микротрубочками механический сигнал пере-
дается по цитоскелету, что ведет к открыванию натрие-
вых и к закрыванию калиевых каналов. Это должно
происходить после внутринейронной обработки синапти-
ческих сигналов с использованием информации, закоди-
рованной на ДНК.
Внутринейронная переработка происходит, по-види-
мому, на системе молекулярных квантовых голографиче-
ских компьютеров, которые собираются внутри нейрона
по программе, записанной на ДНК, и служат для быст-
рого решения физических задач. Именно такие молеку-
лярные компьютеры чрезвычайно хорошо приспособле-
ны для решения сложных физических задач с минималь-
ной затратой цепы действия, т. е. свободной энергии,
52
уходящей на решение задачи, умноженной на время для
ее решения.
Минимальная затрата свободной энергии может
обеспечиваться также использованием бросового тепла
биохимических реакций, текущих вблизи трехмерной го-
лографической решетки квантового компьютера нейро-
на. Именно поэтому, когда эти реакции текут быстрее,
а их ускоряют разобщители, эффект цАМФ должен
ти. Ингибиторы же должны его ослаблять, что и
рас-
наб-
людается в наших экспериментах.
Гипотеза о молекулярной вычисляющей среде ней-
рона вводит в науку непривычный для нее класс пре-
дельных вычисляющих устройств. Обычные ВЫЧИСЛЯЮ’
щие устройства после того как ош: сделаны инженера-
ми и освоены математиками, кажется, готовы решать с
одинаковым успехом любые физические задачи. Напри-
мер, задачи об управлении роботоч, играющим с чело-
веком в теннис.
Квантовый
компьютер.
Первая статья о
квантовом компьютере, точнее, о квантовом регуляторе
живой клетки была сдана в журнал «Биофизика» в
1981 г., а вышла только в 1983 г. Не сразу пробивают-
ся новые идеи. Через 2 года появилась статья американ-
ского физика Р. Фейнмана с математической теорией
квантового компьютера. Однако настоящая теория еще
впереди. У Фейнмана квантовый компьютер описан на
языке квантовой механики. Пет илеи о том, как его
можно реализовать, как устроить вход и выход. И это
не случайно. Квантовый компьютер — объект новой
науки. Именно здесь отличие живого от неживого (см.
рисунок).
Для науки о жизни существенно не только влияние
измерения на молекулярный измерительный прибор, но
и учет влияния вычисления на предсказываемый резуль-
тат. Именно в этом месте существует большое различие,
поскольку раньше предполагалось, что вычисление со-
вершенно отделено от измеряющих приборов и влияние
вычисления на предсказываемый результат не учитыва-
лось. В живой клетке измеряющие приборы и вычис-
ляющая система находятся внутри замой клетки. Поэто-
му решение задачи здесь может менять саму задачу. В
программах решения задач, которые используются клет-
кой, эти обстоятельства, по-видимому, учтены. В част-
ности, должно быть предусмотрено, что надо вовремя
53

Схема квантового компьютера нейрона. Входные каналы мембраны
для CI, К и Na обозначены стрелкой, направленной внутрь. Когда
канал открывается, он посылает специфический гиперзвуковой сиг-
нал, распространяющийся по решающей сети по направлению к вы-
ходным каналам для Na или К, и в зависимости от структуры ре-
шающей сети открывает или закрывает выходные каналы, создавая
генераторный (или гипер поляризационный) потенциал. Генераторный
потенциал управляет электровоз будимыми каналами для К или Na,
обозначенными знаком «+»и способными генерировать нервные им-
пульсы, и кальциевым электровозбудимым каналом. Структура вы-
числяющей сети создается для решения задач нейрона молекуляр-
ной вычислительной машиной. Эту структуру могут быстро менять
внешние медиаторы, управляющие системой синтеза циклического
Л МФ, состоящей из рецептора (Р), G-белков и аденилатциклазы
(А).
кончать процесс вычисления и приступать к действиям
прежде, чем процесс вычисления изменит состояние
клетки, самой вычисляющей системы и ее ближайшего
окружения.
51
Квантовые молекулярные компьютеры живых клеток,
управляемые молекулярной вычислительной машиной,
должны иметь молекулярный текст, хорошо приспособ-
ленный для этих целей. Но главная отличительная осо-
бенность управляющей системы живой клетки — нали-
чие чисто внутренней точки зрение.
«Чисто» и «не чисто» внутренняя точка
зрения. ЭВМ имеют команду, с помощью которой
машина начинает печатать состояние своей памяти со
всеми подробностями. Работу с такой командой можно
назвать внутренней точкой зрения машины, но это не
чисто внутренняя точка зрения. Современные компьюте-
ры состоят из макроскопических деталей, и поэтому
можно в принципе извне проследить за всеми операция-
ми машины, не изменив того, что она напечатает в от-
вет.
Однако если верна гипотеза о том, что управляющая
система живой клетки — предельный молекулярный
квантовый регулятор, в котором цена одиночной опера-
ции приближается к h — то проследить извне за всеми
операциями внутри клетки нельзя, поскольку измерение
меняет состояние квантовой системы. Этим живая клет-
ка отличается от ЭВМ и от молек/лярной вычислитель-
ной машины — МВМ, преобразующей молекулы-слова
ДНК и РНК, где цена действия за операцию 1013 h. По-
этому МВМ фактически является голумакроскопической
вычислительной машиной.
Для предельного компьютера живой клетки смысло-
вым аналогом команды, печатающей содержание всей
памяти, является команда «разделяться». Вот эту опе-
рацию можно считать связанной с ihcto внутренней точ-
кой зрения, так как за всеми операциями клетки извне
проследить невозможно. Но этого мало. Существенно,
что достаточно подробное наблюдение обязательно при-
ведет к изменению выдаваемых клеткой молекулярных
текстов и кодов нервных импульсов, посылаемых нейро-
ном. Это принципиальная особенность предельных регу-
ляторов. Именно из-за наличия предельных регуляторов,
способных управлять макроскошческими объектами,
можно практически изнутри старой науки утверждать:
мир, в котором мы живем, — это не закономерный мир.
Это управляемый мир: закономерность в нем возникает
в результате управления.
Вначале возникновения квантовой механики филосо-
55
фы долго спорили о том, есть ли свобода воли у элек-
тронов. Сейчас ответ кажется ясным. У элементарных
квантовых объектов свободы воли нет. А вот у кванто-
вых компьютеров — есть, поскольку у них есть внутрен-
няя точка зрения, которую в принципе можно выяснить.
Причем вопрос относительно внутренней точки зрения,
точнее, о намерениях квантового компьютера живой
клетки можно задать кодом. Длина кода logN. И это
воздействие в отличие от внешнего измерения можег
быть достаточно слабым и не менять внутреннюю точ-
ку зрения и код, которым отвечает нейрон.
Случайные связи между квантовыми
компьютерами. Основное отличие нервной системы
состоит в том, что синаптические связи между нейронами
очень многочисленны, разнообразны и случайны. В по-
следнее время благодаря исключительно тонкой мето-
дике американским ученым удалось проследить за ден-
дритным деревом одного нейрона у живой крысы. Этог
нейрон окрашивали специальным прижизненным краси-
телем. Оказалось, что связи не только случайны, но не-
прерывно меняются в течение жизни и через неделю они
уже совсем другие.
Минина. Шкловский и я в 1981 г. опубликовали
статью о том, как случайные связи внутри нервных цен-
тров, образуя на теле нейронов разнообразные случай-
ные картинки, могут служить кодами разных задач.
Задача индивидуального нейрона при этом может со-
стоять в узнавании образа, закодированного в молеку-
лярной вычислительной машине данного нейрона и осу-
ществленного в виде подходящей «гиперзвуковой голо-
граммы». Такая голографическая решетка может возни-
кать в нейроне с помощью синтеза специфических бел-
ков. Основные данные об этих белках содержатся в ге-
номе клетки. Однако новые комбинации элементов ге-
нома могут возникать в процессе обучения примерно по
тем же принципам, по которым происходит образование
антител. В результате молекулярный голографический
компьютер, управляемый цифровой молекулярной вы-
числительной машиной, оказывается идеальной системой
для кодирования молекулярным текстом задач, стоящих
перед мозгом животного.
От устройства живой клетки к смыс-
лу жизни. Мы подошли к концу этой брошюры, где я
старался скорее просто, нежели строго, рассказать о
красоте внутреннего устройства живой клетки. В сле-
дующем издании я постараюсь показать, что мир, в ко-
тором мы живем, не описывается физическими закона-
ми, так как в нем есть существа, способные менять бу-
дущее по своему усмотрению. Представление о законо-
мерном мире, созданное наукой прошлого, было ошибоч-
ным, поскольку не включало в себя описания реально
существующих и переделывающих Землю живых су-
ществ. Это представление было сшибочным, поскольку
не описывались системы с внутречней точкой зрения,
меняющие будущее мира. Системы, без которых нет ни
математики, ни экспериментальной физики.
Эти ошибки не помешали старой науке иметь огром-
ную предсказательную силу и служить основанием со-
временной техники и военной промышленности. Но эти
достижения скорее напоминают успешное предсказание
небесных явлений колдунами цивилизации Майи, кото-
рые понятия не имели о реальном устройстве Вселенной
и использовали для предсказаний странные таблицы.
Современная наука — это еще не настоящая наука. Эю
могучее колдовство. Вы знаете, чтэ колдовство делят на
черную и белую магии. Белые маги не только знают о
моральных ценностях и правилах, но всеми силами ста-
раются их соблюдать. Черная магия знает о моральных
и нравственных правилах, но не соблюдает их.
Старые физика и математика вообще отказываются
обсуждать эту проблему. Физики говорят — это не на-
ше дело, мы интересуемся только вопросом о том, как
устроен мир. А математики заявляют: «Математика —
это игра». Но позвольте, какие же это игры! Вы разра-
ботали вычислительные машины и языки программиро-
вания. Ваши ученики написали программы, и ракета,
управляемая этой программой, сбивает самолет.
Современная наука в лице квантовой механики по-
казывает, что полного ответа на вопрос «как?» нет. Са-
мо измерение может изменять сосгояние физической си-
стемы. Теперь мы понимаем, что расчет тоже способен
изменить состояние и что причиной всякого действия яв-
ляется решение управляющих систем — квантовых ком-
пьютеров.
Мы живем в прекрасном, но хрупком управляемом
мире. Человек призван сделать этот мир еще более пре-
красным, призван управлять другими живыми существа-
ми, которые ползают и ходят по земле, плавают под во-
57
дой и летают по поверхности небесного растяжения. Не
вдруг обнаружилось, что главные проблемы настоящей
науки в этом мире — проблемы моральные. Проблема
не в том, как с большой вероятностью убивать. Проб-
лема в том, как объяснить всем, что нельзя убивать лю-
дей. Новая наука дает человеку надежду на личное бес-
смертие. И я уверен, она сумеет решить моральные про-
блемы. Создать эту науку — цель и основная надежда
человечества.
Литература
Катц Б. Нерв, мышца, синапс. — М.: Мир, 196b.
Купер Л. Физика для всех. — М.: Мир, 1973.
Ку флер С., Николс Д. От нейрона к мозгу. — М.: Мир,
1979.
Либерман Е. А. Генераторы и насосы клетки. — М.: Зна-
ние, 1965.
Либерман Е, А. Молекулярная вычислительная машина
клетки // Биофизика. — 1972. — Т. 17. — № 6. — С. 1017.
Либерман Е. А., Минина С. В., Шкловский-Кор-
ди Н. Е. Электричество и управление живой клетки. — М.: Зна-
ние, 1978.
Либерман Е. А. Живая клетка. — Мл Наука, 1982.
Либерман Е. А. Квантовые молекулярные компьютеры fl
Биофизика. — 1989. — Т. 34. — № 5. — С. 917.
Планк М. Единство физической картины мира. — М.: Наука,
1966.
Уотсон Дж. Молекулярная биология гена. — М.: Мир, 1967.
Фейнман Р. Характер физических законов. — М.: Мир, 1968.
Ходжкин А. Нервный импульс. — М.: Мир, 1967.
Эйнштейн А., Йнгфельд Л. Эволюция физики. — Мл
Наука, 1965.
Экклс Дж. Физиология синапсов. — М: Мир, 1964.
ЗАДАЧИ
ПО БИОЛОГИИ _
ДЛЯ ЛЮБОЗНАТЕЛЬНЫХ^
В № 11 за прошлый год была опубликована лишь часть вопро-
сов по физиологии человека, животных i растений. В этом номере
мы заканчиваем цикл, состоящий из четыэех разделов.
В первый раздел включены вопросы по морфологии и собствен-
но физиологии человека и животных. На них школьники смогут от-
ветить после прохождения соответствующих разделов школьного
учебника по анатомии.
Во втором разделе помещены вопросы по адаптации и поведе-
нию животных. Именно здесь предполагаются эксперименты для
проверки предложенной гипотезы.
Третий раздел состоит из вопросов, требующих выдвижения
нескольких правдоподобных версий. Они развивают способность ло-
гически размышлять, доказывать свою ппотезу.
В четвертом разделе приведены вопросы по физиологии рас-
тений. Они помогут школьникам старшие классов вспомнить бота-
нику н применить эти знания в несколькс новом свете.
I.
1.	Предложите гипотезу, объясняющую регуляцию дыхания у
человека, удовлетворяющую следующим фактам: а) при глубоком
продолжительном дыхании может наступить потеря сознания и ос-
тановка дыхания; б) когда человек долго и беспрерывно дует, то
темнеет в глазах и даже бывает потеря сознания; в) первая по-
мощь угоревшему, утонувшему, пострадавшему от тока состоит во
вдыхании ему в рот больших количеств воздуха из легких здоро-
вого человека.
2.	Перечислите способы, которыми можно определить, жив ли
развивающийся в курином яйце цыпленок На чем основаны эти спо-
собы?
3.	Гибель животных от яда А—50%, а от яда Б—15%. Каким
может быть процент гибели при совмесгном действии этих ядов?
Как это число будет зависеть от биологических особенностей орга-
низма исследуемых животных? Ответ обогнуйте.
4.	На какие органы и ткани органшма оказывают особенно
сильное влияние разные виды загрязнителей н почему?
5.	Какими могут быть физиологические механизмы действия
ядов на организм животных? Приведите примеры реально сущест-
вующих ядов с таким действием.
59
2.
6.	Вам надо выяснить, какие процессы и какие органы позво-
ляют хамелеону (или осьминогу) менять свою окраску в соответст-
вии с цветом фона. Какие опыты зы поставили бы с этой целью?
7.	Как вы думаете, какие рефлекторные механизмы использу-
ются в организме теплокровных животных для поддержания посто-
янной температуры тела? Какими опытами можно доказать суще-
ствование этих механизмов?
8.	Предложите метод определения объема крови в теле чело-
века, используя, если вам понадобится, только такие анализы, кото-
рые можно провести в обычной поликлинике.
9.	Известно, что скорость образования почками вторичной мочи
зависит от двух факторов: давления крови в капиллярных клубоч-
ках и интенсивности обратного всасывания в почечных канальцах,
которое регулируется одним из гормонов гипофиза. При болевом
раздражении количество образующейся вторичной мочи уменьшает-
ся. Каковы могут быть конкретные физиологические механизмы это-
го явления? С помощью каких опытов можно проверить, какие из
них существуют в действительности?
10.	Выдвинуты следующие гипотезы о механизмах регуляции
выделения желудочного сока: а) сок выделяется в ответ на меха-
ническое раздражение стенок желудка пищей; б) сок выделяется
рефлекторно при раздражении пищей рецепторов языка; в) выделе-
ние сока регулируется веществом, которое попадает в кровь при
исступлении в желудок пищи. Предложите опыты по проверке
каждой из гипотез,
И. Существует мнение, что пища, попавшая в желудок, непо-
средственно действует на его секреторные клетки, выделяющие со-
ляную кислоту. Согласно другим гипотезам секреторные клетки ак-
тивируются нервной системой или специальным гормоном. Какие
о; ыты надо поставить, чтобы выяснить, какая из гипотез правиль-
на?
12.	Ученый хотел выяснить, различают ли рыбы направление
звука. Для этого он поставил следующий опыт. Под водой было
размещено несколько столиков, над каждым помещен свой источ-
ник звука. Рыб всегда кормили на столике № 1. Перед кормлением
включали звук над этим столиком. Через некоторое время у рыб
был выработан условный рефлекс на звук. Затем звук был вклю-
чен над другим столиком» но рыбы все равно плыли к столику № 1.
Ученый сделал вывод, что рыбы не различают направления звука.
В чем ошибка опыта? Как надо было ставить этот опыт? Какие еще
опыты вы предлагаете поставить, чтобы выяснить, различают лн
рыбы направление звука?
13.	В пещерном водоеме обнаружили слепую рыбу. Предложи-
те опыты, с помощью которых можно установить, каким образом
она находит себе пишу?
14.	Какие опыты вы могли бы предложить, чтобы определить,
как муравьи находят дорогу домой?
15.	При первой встрече с новым для себя звуком животное на-
стораживается: при многократном его предъявлении перестает на
/;его реагировать. Как проверить, продолжает лн оно слышать этот
звук?
16.	У одного из видов животных обнаружена способность точно
определять расстояние до предметов. Предложите опыты, с по-
60
мощью которых можно было бы выяснить, как оно это делает.
17.	Установлено, что меченосцы, которых содержат в аквариу-
ме поодиночке, растут медленнее, чем содержащиеся по нескольку
штук вместе. Опишите эксперимент, позволяющий установить, ка-
ким путем присутствие одних особей влияет на рост других.
18.	Предложите эксперимент, выясняющий, узнают ли мыши
свопх родных братьев и сестер средн всех особей популяции.
19.	Какие эксперименты вы бы поставили, для того чтобы ус-
тановить, по каким признакам стайные животные отличают членов
своей стаи от чужаков?
3
20.	Почему теплокровность считается прогрессивным признаком?
21.	Почему теплокровные животные в холодной воде не замер-
зают?
22.	В каких случаях температура тела насекомых отличается
от температуры окружающей среды? Каким образом это достига-
ется?
23.	Какие структуры (клетки, ткант или органы) позволяют
животным поддерживать постоянную температуру тела?
24.	Нарисуйте схему, показывающую, как поддерживается
нормальная температура тела у человека.
25.	Теплокровные животные могут поддерживать температуру
тела около 37°С при более высокой температуре окружающей сре-
ды. Как это достигается?
26.	Температура тела у птиц выше, чем у млекопитающих. Ка-
кие преимущества это дает птицам и в чем состоят недостатки этой
особенности?
27.	Известно, что температура тела колибри в холодные ночи
падает до 10°С, тогда как днем она разна 43°С. Как вы думаете,
почему у колибри в процессе эволюции возникла такая особенность
физиологии?
28.	Почему у насекомых «кровь» (гемолимфа) обычно бесцвет-
ная и очень редко (у мотыля — личинок комаров-звонцов или у
личинок желудочных оводов) — красная, а у позвоночных живот-
ных — наоборот (крозь бесцветная толжо у некоторых антаркпь
ческих рыб, например, ледяной)? Объясните такие исключения.
29.	У позвоночных животных относительный размер сердца тем
больше, чем более активный образ жизни ведет животное. Почему
у насекомых размер «сердца» (спинногс сосуда) не связан с ак-
тивностью?
30.	Космонавтам, попавшим в условтя невесомости, первое вре-
мя кажется, что они перевернулись вшз головой. Объясните это
явление.
31.	Какие трудности возникают у организмов в связи с высоким
содержанием солей в среде их обитания и как они с этими труд-
ностями справляются?
32.	Концентрация многих ионов в к орской воде выше физио-
логической концентрации их в клетках тела морских рыб. Предло-
жите способ, благодаря которому морские рыбы из соленой воды
могут получать пресную.
33.	Почему у одноклеточных водные животных (например, у
туфельки) есть сократительная вакуоль, а у одноклеточных низших
водорослей ее нет?
61
34.	Чем объяснить, что у пресноводных инфузории частота
пульсации сократительной вакуоли выше, чем у морских и парази-
тических?
35.	Что надо сделать перед тем, как нырнуть, если задача со-
стоит в том, чтобы пробыть под водой как можно дольше? Исполь-
зование каких-либо механических приспособлений исключается.
36.	В романе А. Беляева «Человек-амфибия» описан юноша,
которому пересадили жабры акулы, так что он мог жить под во-
дой. Можно ли на самом деле создать такого ихтиандра? Ответ по-
ясните.
37.	Известно, что у некоторых животных (зайцы, киты и др.)
молоко очень жирное, а у других (обезьяны, волки) — нет. Пред-
ложите объяснение этому факту и на его основе укажите еще не-
скольких животных, имеющих жирное и нежирное молоко.
38.	По каким причинам вскармливание ребенка на первых ме-
сяцах жизни молоком животных вместо материнского — мера до-
статочно опасная? Как можно сделать такое вскармливание более
безопасным?
39.	Описан случай, когда детеныш косули долго бежал за ве-
лосипедом, у которого над задним колесом был светлый щиток. Как
вы объясните поведение детеныша косули?
40.	Большинство молодых особей какого-то вида при встрече
с хищником убегают, а большинство взрослых крупных особей, на-
оборот, контратакуют. Предложено несколько гипотез, объясняю-
щих этот факт: а) условный рефлекс нападения складывается в
течение жизни и вытесняет безусловный рефлекс бегства; б) есть
2 инстинкта с разным временем проявления в онтогенезе; в) на-
падение — лучшая тактика и для молодых, поэтому до взрослой
стадии доживают только «наглые». Какая из гипотез, по-вашему,
правильная? Какие опыты вы бы поставили для проверки этих ги-
потез?
41.	Некоторые особенности группового поведения, обнаружен-
ные у диких крыс, решили подтвердить в экспериментах с их ла-
бораторными собратьями. Как вы думаете, какие факторы могут
привести к различиям в результатах?
42.	У многих животных при увеличении плотности популяции
снижается средняя плодовитость особей. В чем могут быть причи-
ны н каковы физиологические механизмы этого явления?
43.	Поведению многих животных присущи сложные инстинктив-
ные действия (ритуалы), особенно часто связанные с брачным под-
ведением. В чем, по-вашему, может заключаться биологический
смысл таких ритуалов?
44.	У многих певчих птиц есть сложная видовая песня и, кро-
ме того, набор простых коротких сигналов, зачастую сходных у
разных видов. Какова роль того и другого типа сигнализации в
жизни птиц?
45.	Каковы возможные способы защиты клеток растений от
температурного повреждения?
46.	Удаление многих ненужных организму веществ у животных
осуществляется через выделительную систему. А как и что выде-
ляют растения?
47.	В некоторый момент времени на чашках весов уравнове-
€2
шены горшок с зеленым растением и несколько баночек с водой.
Площадь поверхности воды в баночках з сумме равна всей листо-
вой поверхности растения. Земля в горшке увлажнена н покрытз
полиэтиленом. Как вы думаете, изменится ли положение чашек; ве-
сов через достаточно большой промежуток времени? Какие факто-
ры будут влиять на результаты опыта? Свой ответ поясните.
48.	Известно, что для оплодотворения растений нужна доста-
точно высокая температура. Каким образом внутри цветков высо-
когорных и арктических растений достигается температура более
высокая, чем в окружающей среде?
Вопросы подготовили к печати члены НТО «Молодые биоло-
ги — школе» Б. Ж у к о в и Т. М а м а е в а. Наш адрес; 119899,
Москва, МГУ, Ленинские горы, биологический факультет.
ДОРОГИЕ ТОВАРИЩИ!
Сообщаем вам, что подписчики серии <Биология> во втором
полугодии 1990 года получат следующие брошюры:
Евгеньева Т. П., доктор биологических наук. Ной, Ба,
Тэ-тэ и другие (очерки по экологической морфологии редких жи-
вотных).
Новое в биотехнологии (обзор иностранной печати).
Вегетарианство сегодня: за и против. Сборник готовит Инсти-
тут питания АМН СССР.
Воронцов Н. Н.» доктор биологических наук. Генетика и
география.
Холодов Ю. А., доктор биологических наук, Глей-
зер С. И., кандидат биологических наук. Живой магнит.
Либерман Е. А., доктор биологических наук. Как работает
живая клетка (часть вторая).
В 1991 году подписчик -получат, как обычно, 12 брошюр.
Средн них:
Иванов В. Г, доктор философских наук. Конфликт цен-
ностей и решение проблем экологии.
Алексеев В. П., академик. Новые споры о старых пробле-
мах (о человеческих расах).
Корочкин Л. И., доктор биологических наук. Гены и пове-
дение.
Манучарян М. А., доктор биологических наук. Биоритмы
растений.
Голиченков В. А., доктор биологических наук. Сравни-
тельная эмбриология.
Голубовский М. Д., доктор биологических наук. Концеп-
ции А. А. Любяще в а в современной биологии.
С од ер ж ание
ВВЕДЕНИЕ.....................................  3
ХИМИЯ ЖИВОЙ КЛЕТКИ.............................5
Подчиняется ли клетка законам химии? Спираль ДНК
ИЗ ТЕХНИКИ В НАУКУ.............................7
Сине-красный код. Фазовая теория нервного возбуждения
СИНАПС И НЕРВНАЯ СЕТЬ, КОТОРАЯ ЛОВИТ ИН-
ФОРМАЦИЮ ......................................  13
Информация о количестве информации. Миниатюрные потен-
циалы. Сигнал внутрь клетки шлет кальций. Формальные ней-
роны Мак-Каллока и Питтса
РЕГУЛИРУЮЩАЯ СИСТЕМА ЖИВОЙ КЛЕТКИ .	.	19
Будут ли роботы пасти стада людей? «Живая» электроника.
Электронные и молекулярные. «Цена действия» за вычисле-
ние. Поиск молекулярных адресов
ОТ МОЗГА ВНУТРЬ НЕЙРОНА.......................30
Идеи и союзники. Гиганты есть и среди нейронов. Возбужде-
ние нейронов. ЭВМ управляет физиологическим эксперимен-
том. Нейрон управляет генераторным потенциалом изнутри.
Измерение ионного тока. Какие же ионы участвуют в прони-
цаемости нового типа? Почему цАМФ, а не кальций? Задерж-
ка ответа на инъекцию циклических нуклеотидов. «Раздува-
ние» нейрона
ХИМИЯ, АКУСТИКА И МАТЕМАТИКА ....	47
Молекулярным каркас живой клетки. Ингибиторы генератор-
ного потенциала. Необычная энергетика ответа нейрона на
цАМФ. Переключающая среда. Квантовый компьютер. «Чис-
то» и «не чисто» внутренняя точка зрения. Случайные связи
между квантовыми компьютерами. От устройства живой клет-
ки к смыслу жизни
ЛИТЕРАТУРА....................................58
Задачи по биологии для любознательных л .	»	,	59
Научно-популярное издание
Ефим Арсентьевич ЛИБЕРМАН
КАК РАБОТАЕТ ЖИВАЯ КЛЕТКА
(нейрон)
Редактор И. Ту жилина. Мл. редактор О. Березкина. Художник
Н. Константинова. Худож. редактор К. Венерин. Техн, редактор
Т. Захаренкова. Корректор Л. Иванова.
ИБ № 10653
Сдано в набор 25.01.90. Подписано к печати 28.03.90. А01949. Формат бумаги
84Х1О8Уз2. Бумага тип. № 2^- Гарнитура литературная. Печать высокая
Усл. печ. л. 3,36. Усл. кр.-отт. 3.68. Уч.-изд. л. 3.66. Тираж 60 603 экз. За-
каз 126. Цена 15 коп. Издательство «Знаниеэ. 101835. ГСП, Москва. Центр»
гроезд Серова» д. 4. Индекс заказа 903304.
Типография Всесоюзного общества «Знание>. Москва, Центр, Новая пл.» д. ЗМ.
коп.
Индекс 70071
рошюры этой серии в розничную продажу
е поступают, поэтому своевременно
формляйте подписку.
1одписка на брошюры издательства «Зна-
ие» ежеквартальная, принимается в л ад-
ом отделении «Союзпечати».
апоминаем Вам, что сведения о подписке
ы можете найти в «Каталоге советских га-
эт и журналов» в разделе «Брошюры изда-
эльства «Знание».
подписки
год
руб. 80 коп.
Наш адрес:
СССР,
Москва,
Центр,
проезд Серова, 4