ПОЛЯРИЗАЦІЯ І деполяризації
Фізики зуміли виміряти електричний потенціал, який існує між двома сторонами клітинної мембрани. Він виявився рівним 0,07 вольт. Можна сказати також, що цей потенціал дорівнює 70 мілівольт, так як мілівольт дорівнює одній тисячній вольта. Звичайно, це дуже маленький потенціал у порівнянні з 120 вольт (120 000 мілівольт) напруги в мережі змінного струму або в порівнянні з тисячами вольт напруги в лініях електропередачі. Але це все ж дивовижний потенціал, враховуючи матеріали, які має в своєму розпорядженні клітина для побудови електричних систем.
Будь-яка причина, що перериває діяльність натрієвого насоса, призведе до різкого вирівнювання концентрацій іонів натрію і калію по обидві сторони мембрани. Це, в свою чергу, автоматично призведе до вирівнювання зарядів. Таким чином, мембрана стане деполяризованої. Звичайно, це відбувається при пошкодженні або загибелі клітини. Але існують, правда, три види стимулів, які можуть викликати деполяризацію, не завдаючи клітці ніякої шкоди (якщо, звичайно, ці стимули не дуже сильні). До таких лам відносяться механічні, хімічні та електричні.
Тиск - це приклад механічного стимулу. Тиск на ділянку мембрани призводить до а розширення і (по поки не назаднім причин) викличе в цьому місці деполяризацию. Висока температура призводить до розширення мембрани, холод скорочує її, і ці механічні зміни теж викликають деполяризацію.
До такого ж результату приводить вплив на мембрану деяких хімічних сполук і вплив на неї слабких електричних струмів. (В останньому випадку причина деполяризації представляється найбільш очевидною. Зрештою, чому електричний феномен поляризації не можна змінити за допомогою прикладеного ззовні електричного потенціалу?)
Що сталася в одному місці мембрани деполяризация служить стимулом для поширення деполяризації по мембрані. Іон натрію, що вихлюпнувся за клітку в місці, де сталася деполяризация припинилася дія натрієвого насоса, витісняє назовні іон калію. Іони натрію менше розмірами і більш рухливі, ніж іони калію. Тому в клітку входить більше іонів натрію, ніж виходить з неї іонів калію. В результаті крива деполяризації перетинає нульову позначку і піднімається вище. Клітка знову виявляється поляризованої, але з протилежним знаком. На якийсь момент кльош набуває внутрішній позитивний заряд, завдяки присутності в ній надлишку іонів натрію. На зовнішній стороні мембрани з'являється маленький негативний заряд.
Протилежно спрямована поляризація може служити електричним стимулом, який паралізує роботу натрієвого насоса в ділянках, що примикають до місця початкового стимулу. Ці примикають ділянки поляризуються, потім відбувається поляризація зі зворотним знаком і виникає деполяризація в більш віддалених ділянках. Таким чином, хвиля деполяризації прокочується по всій мембрані. У початковій ділянці поляризація зі зворотним знаком не може тривати довго. Іони калію продовжують виходити з клітки, поступово їх потік зрівнюється з потоком входять іонів натрію. Позитивний заряд всередині клітини зникає. Це зникнення зворотного потенціалу в якійсь мірі реактивує натрієвий насос в цьому місці мембрани. Іони натрію починають виходити з клітки, і в неї починають проникати іони калію. Дана ділянка мембрани вступає у фазу реполяризації. Так як ці події відбуваються в усіх ділянках деполяризаціїмембрани, то слідом за хвилею деполяризації по мембрані прокочується хвиля реполяризації.
Між моментами деполяризації і повної ре-поляризації мембрани не відповідають на звичайні стимули. Цей період часу називається рефракторним періодом. Він триває дуже короткий час малу частку секунди. Хвиля деполяризації, що пройшла через певну ділянку мембрани, робить цю ділянку несприйнятливим до порушення. Попередній стимул стає в якомусь сенсі одиничним і ізольованим. Як саме дрібні зміни зарядів, які беруть участь в деполяризації, реалізують таку відповідь, невідомо, але факт залишається фактом - відповідь мембрани на стимул ізольований і поодинокий. Якщо м'яз стимулювати в одному місці невеликим електричним розрядом, то м'яз скоротиться. Але скоротиться не тільки ту ділянку, до якого було докладено електричне роздратування; скоротиться все м'язове волокно. Хвиля деполяризації проходить по м'язового волокна зі швидкістю від 0,5 до 3 метрів в секунду, в залежності від довжини волокна, і цієї швидкості достатньо, щоб склалося враження, що м'яз скорочується, як одне ціле.
Цей феномен поляризації-деполяризації-реполяризації притаманний усім клітинам, але в деяких він виражений більше. В процесі еволюції з'явилися клітини, які витягли вигоди з цього явища. Ця спеціалізація може піти в двох напрямках. По-перше, і це відбувається досить рідко, можуть розвинутися органи, які здатні створювати високі електричні потенціали. При стимуляції деполяризация реалізується не м'язовим скороченням або іншим фізіологічним відповіддю, а виникненням електричного струму. Це не марна трата енергії. Якщо стимул це напад ворога, то електричний розряд може поранити або вбити його.
Існує сім видів риб (деякі з них костисті, деякі відносяться до загону хрящових, будучи родичами акул), спеціалізованих саме в цьому напрямку. Самий мальовничий представник - це риба, яку в народі називають «електричним вугром», а в науці досить символічним ім'ям - Electrophorus electricus. Електричний вугор - мешканець прісних вод, і зустрічається в північній частині Південної Америки - в Оріноко, Амазонці і її притоках. Строго кажучи, ця риба не родичка вугрів, її назвали так за довгий хвіст, який становить чотири п'ятих тіла цієї тварини, довжина якого становить від 6 до 9 футів. Всі звичайні органи цієї риби вміщаються в передній частині тулуба довжиною близько 15 - 16 дюймів.
Більше половини довгого хвоста зайнято послідовністю блоків модифікованих м'язів, які утворюють «електричний орган». Кожна з цих м'язів виробляє потенціал, який не перевищує потенціал звичайної м'язи. Але тисячі і тисячі елементів цієї «батареї» з'єднані таким чином, що їх потенціали складаються. Відпочив електричний вугор здатний накопичити потенціал близько 600 - 700 вольт і розряджати його зі швидкістю 300 раз в секунду. При втомі цей показник знижується до 50 разів на секунду, але такий темп вугор може витримати протягом тривалого часу. Електричний удар досить сильний для того, щоб убити дрібне тварина, якими харчується ця риба, або щоб нанести відчутної поразки тварині більшому, яке помилково раптом вирішить з'їсти електричного вугра.
Електричний орган - це прекрасна зброя. Можливо, до такого електрошоку із задоволенням вдалися б і інші тварини, але ця батарея займає надто багато місця. Уявіть собі, як мало тварин мали б міцні ікла й пазурі, якби вони займали половину маси їх тіла.
Другий тип спеціалізації, який передбачає використання електричних явищ, що протікають па клітинній мембрані, полягає не в посиленні потенціалу, а в збільшенні швидкості поширення хвилі деполяризації. Виникають клітини з подовженими відростками, які представляють собою майже виключно мембранні освіти. Головна функція цих клітин - дуже швидка передача стимулу від однієї частини тіла до іншої. Саме з таких клітин складаються нерви - ті самі нерви, з розгляду яких почалася ця глава.
Ви переглядаєте мобільну версію сайту.
Перейти на повну версію