Беркинблит, Глаголева - Электричество в живых организмах (Квант) - 1988 (947484), страница 26
Текст из файла (страница 26)
Ясно, что проволочка может служить только пРоводником электрического тока, замыкая электрическую цепь. О надежности передачи Воаникает вопрос: коль скоро нерв может передавать сигнал чисто электрическим путем, то зачем ему вообще нужны эти промежуточные ретрансляторы? Кааалось бы, разумней было поставить в начале волокна «передатчик» вЂ” источник сигнала, а в конце — «приемник».
Но что значит «разумнее» применительно к устройству нерва2 Когда линию связи делают люди, то они действительно стремятся устроить ее разумно: рассчитывают ее конструкцию, учитывая разные факторы. А в природе конструктора нет. 121 Конструктора-то нет, но зато есть очень строгий ОТК вЂ” естественный отбор, который беспощадно бракует все негодное, нежизнеспособное.
Поэтому если в организме при передаче первых импульсов испольауется ретрансляция, то это должно иметь какой-то смысл, давать какие-то важные преимущества. И рассмотрение того, как в организме используются разные комбинации чисто электрической (пассивной) передачи сигналов с передачей нервного импульса, даст нам возможность ознакомиться с одним из ярких примеров целесообразности конструкции нервных волокон, работающих в разных условиях. Вернемся к опыту Ходжкина с тремя ванночками. Третья часть этого опыта состояла втом, что Ходжкин, меняя длину участка ВС, проверил, на какое расстояние нерв может без ретрансляции передавать сигнал, включающий воэбум»ление.
Оказалось, что это расстояние невелико по сравнению с длиной нерва. Этот результат становится ясным, если вспомнить, что в нерве существуют жесткие требования к величине сигнала: нужно, чтобы потенциал на мембране достиг порогового значения. Если данна участка ВС велика, то сдвиг МП в его конце оказывается ниже порогового, так как значительная часть МП, существующего в точке В, падает на сопротивлении протоплазмы участка ВС. Отсюда ясно, почему в нервном волокне ретрансляционные станции волокна (ионные каналы) расположены довольно часто.
Это создает нсобходимую надежность: выход из строя части промежуточных станций не нарушает передачи сигнала. Это было известно давно: еще в в 1899 г. русский физиолог Б. Ф. Вериго показал, что можно с помощью наркотиков устранить возбудимость мембраны на некотором участке нерва; тем не менее нервный импульс способен «перескочить» череа этот участок. Такая надежность «линни связи» обеспечивается тем, что, как показали прямые внутриклеточные измерения, как правило, аъшлитуда потенциала действия А в несколько раз выше порогового потенциала Ур, т.
е. величины, достаточной, чтобы сработал ретранслятор. (Кстати, отношение А)Ю» так и называют коэффициентом надежности.) Таким образом, наша линия связи устроена с большим «запасом прочности», и это оправдано: надежность сигнализации для живого организма является серьезным условием выживания — нельая допустить, чтобы при выходе из строя некоторого числа ретрансляторов или повышения порога нарушилась связь. Но за такой способ передачи сигналов приходится, фигурально выражаясь, платить по счетчику: как мы знаем, при возбуждении мембраны расходуется энергия.
Не слщпком ли дорого обходится организму эта надел(ностьу Почему нервы не могут передавать сигналы так, как это делается в телеграфной линии? Кабельная теория Чтобы ответить па этот вопрос, нам придется заняться электротехникой, выйдя за пределы тех представлений, которые мы получаем в школьном курсе. На самом деле схема рис. 29, а может быть использована для сигнализации только потому, что нашей человеческой электротехнике очень повезло: воздух — плохой проводник электричества.
И потому, если мы рассматриваем передачу сигналов по воздушным проводам, то даже если они вообще не имеют изоляции, можно почти не считаться с тем, что по пути происходит утечка тока. Падение напряжения происходит только за счет сопротивления провода. Однако наши зпровод໠— нервы находятся в совершенно других условиях: они окруяюны, как вы знаете, солевым раствором, хорошо проводящим электричество.
Представьте себе, что воздух хорошо проводил бы ток: в электрических розетках сразу гке возникло бы короткоо замыкание, провода на мачтах электропередач нужно было бы тщательно изолировать, выключение света в комнате превратилось бы в техническую проблему, все наши формулы и расчеты окааались бы непригодными. Так что для того чтобы оценить оправданность аатрат на ретрансляцию, нам придется научиться рассчитывать электрические схемы, находящиеся в специальных условиях.
К счастью для электробиологии, люди уже встречались с такой ситуацией, когда сигнальный провод проходил через солевой раствор — через обыкновенную морскую воду. Это было в 50-х годах прошлого века, когда была предпринята попытка связать телеграфной связью Европу с Америкой. До этого подводные телеграфные линии были проложены лишь в Индии, а также по дну ЛаМанша. Протяженность этих линий была сравнительно невелика, поэтому особых технических трудностей пе возникло. Ваяли потолще проводящую я'илу и потолще изоляцию — и все. Когда же 7 августа 1857 г. от берегов Ирландии начали опускать в воду трансатлантический телеграфный ка- бель, он в тот же день порвался.
Его вынули, срастили кон- цы и продолжили работы. г1етыре дня все шло хорошо, но 11 августа он вновь оборвался. Кораблю, с которого опус- кали кабель, пришлось вернуться в Ирландию и вытяги- вать оборзавшгсйся на большой глубине конец на сушу. Когда псе наконец *) удалось дотянуть кабель до берегов Америки и принять первые телеграммы, то ликование по поводу удачи оказалось недолгим: буквально через счи- танные дни сигналы, передававшиеся череа океан, стали все больше затухать, пока наконец связь не прервалась совсем. Стало понятно, что решать такую задачу «на глазок» не- воаможно.
Проблема балансирования между прочностью кабеля и обеспечением надежности изоляции требовала теоретической основы, которая позволяла бы рассчиты- вать параметры кабеля (диаметр жилы, толщину изоля- ции) так, чтобы он, с одной стороны, был достаточно проч- ным, а с другой — обеспечивал надежную связь на боль- шом расстоянии. Такая теория была разработана анаменитым англий- ским ученым Уильямом Томсоном. Школьники знают его по учебнику физики как автора формулы для периода элек- тромагнитных колебаний в колебательном контуре; он же предложил шкалу температуры, градусы которой назва- ны кельвинамн — тоже в его честь, потому что аа научные заслуги У. Томсон получил титул лорда Кельвина (зто имя он придумал сам, чтобы увековечить название малень- кой речушки, протекающей в любимой нм Шотландии).
В 1865 г. была предпринята новая попытка проклад- ки кабеля через Атлантику. На этот раз на самом боль- шом пароходе того времени среди 120 инженеров и тех- ников был и У. Томсон, который принимал самое актив- ное участие во «внедренкн» своей теории. 4 августа 1866 г.
было установлено надежное телеграфное сообщение меж- ду двумя континентами. Как псе работает кабель — телеграфный или «живой», т. е. нервное волокно? Уточним, прежде всего, что мы называем кабелем. Всякий кабель можно себе представить как проводник (жилу), окруженный иаоляцией и погруженный в проводя- щую среду.
При подаче сигнала передающее устройство создает на косще кабеля разность потенциалов между жи«) Подробная история прокладки этого кабеля, полная траги- ческих событии, описала о кинге С. Цеелга «Зае»дные часы челове- чества», лой кабели и окружающей средой. Тогда по кабелю потечет ток, Но что вначит «по кабелто потечет ток» вЂ” это тоже надо уточнить. Ведь мы привыкли, что ток течет по жиле, по проводнику, а для кабеля существенно, что изоляция же является идеальной, и поэтому ток идет не только по //ю / / / /;Ли /)Лп л Рис. 32.
Эквивалентная схема кабеля (или волокна с невовбудимой мембраной): а — сопротивлснио участка жилы (или аксоплазмы) т/Лх, сопротивление участка изоляция (нли мембраны) /ю/Лх. Сопротивление окружающей среды относительно очень мало как для кабеля, опущенного в океан, так и для нервного волокла, помещенного в морскую воду или находящегося внутри организма, повтому сопротивлением окружающей среды тут пренебрегается; б — к выводу формулы сопротивления кабеля бесконечной длины (сы. текст) жиле, но и вытекает через изолнцию в окружающую среду. Таким образом, схематически кабель можно представить как жилу, соединенную с обратным проводом (средой) часто-часто располол~енными перемычками (рнс. 32). Такая система отличается от привычных нам систем тем, что она является замкнутой независимо от того, что находится на другом конце кабеля.
Если приложить к однолту концу кабеля напряжение )/, то ток по кабелю будет идти, даже если другой конец будет полностью изолирован от окружающей среды и даже в том случае, когда у кабеля вообще не будет конца, т. е. если считать кабель бесконечным. Получается удивительная вещь: у бесконечного кабеля конечное сопротивление. А если разобраться, то, может быть, это не так уж странно: чем длиннее кусок, тем сопротивление жилы больше, а сопротивление мембраны меньше.
В результате оказывается, что при увеличении длины кабеля его сопротивление хоть и растет, но ве неограниченно, а приближаясь к не которому конечному значению, которое называется 'характеристическим сопротивлением кабеля н обозначается Л„. Именно случай бесконечного каб>еля, как ни странно, оказался самым простым для получения основных Электрических характеристик кабеля. Сопротивление бесконечного кабеля Давайте, например, посчитаем, чему равняется сопротивление бесконечного кабеля, т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
