Чудесная жизнь клеток: как мы живем и почему мы умираем - Льюис Уолперт

Последующие исследования, в ходе которых регистрировалась активность отдельных клеток, выявили области мозга, отвечающие за температурные ощущения в различных частях тела. Благодаря нервным импульсам, которые передаются с поверхности кожи в мозг, мы можем ощутить нежный бриз и избегнуть ожога от контакта с раскаленным предметом. Мы способны ощущать температуры в диапазоне от минус десяти до плюс шестидесяти градусов. Различные клетки-сенсоры, находящиеся в коже, отвечают за передачу данных на нервные окончания. Механизм, позволяющий нам различать тепло и холод, работает благодаря тому, что в зависимости от температуры изменяются каналы прохождения ионов в этих клетках. При этом каждая группа клеток реагирует лишь на узкий диапазон температур. Они с постоянной частотой испускают нервные импульсы в том случае, если температура окружающей среды для них комфортна. Если же температура меняется, скорость передачи нервных импульсов замедляется или ускоряется.

Боль мы ощущаем благодаря рецепторам, которые реагируют на раздражители, потенциально способные нанести вред организму. Одни рецепторы реагируют на химические вещества, которые испускают поврежденные клетки, другие — непосредственно на неблагоприятное механическое воздействие или экстремальные температуры. Необходимость в болевых ощущениях очевидна — боль предупреждает нас о повреждениях, угрожающих телу. Чувство боли передается в мозг с помощью электрических импульсов, проходящих по специальным нервам, в оболочках которых имеются специальные каналы для ионов натрия; эти ионы, собственно, и сигнализируют мозгу о боли. Утрата или повреждение такого канала приводят к неспособности нервов посылать болевые сигналы в мозг, и это может стать фатальным для организма.

Известен случай, когда все члены одной семьи не ощущали боли. Исследования привели ученых к выводу о том, что у них у всех присутствовала мутация одного гена. Она препятствовала поступлению ионов натрия в нервные клетки, которые должны были реагировать на боль и передавать в мозг соответствующий нервный импульс.

Механизм, позволяющий нам видеть, основан на свойствах нашей сетчатки и состоит из двух фаз. Свет, поступающий в глаз, преобразуется в электрические импульсы клетками сетчатки, и эти импульсы передаются через глазные нервы в мозг. В нашей сетчатке представлены клетки-рецепторы двух видов — палочки и колбочки; они действуют соответственно либо ночью, либо днем. Один фотон света может вызвать электрический импульс в палочке, но не в колбочке, которая требует поступления большего количества света для того, чтобы этот импульс сгенерировать. Внешние области палочек и колбочек наполнены светопоглощающими пигментами (фотопигментами), прикрепленными к их оболочкам. Эти пигменты вызывают изменения электрического потенциала по разным сторонам клеточных оболочек, что порождает сигналы, идущие к нервам, связанным с оптическим нервом, в состав которого входят несколько миллионов аксонов. Эти аксоны особым образом связаны с той областью мозга, которая ведает зрением.

В основе цветного зрения лежат три типа колбочек, которые реагируют на свет с разной длиной волны, то есть на цвета. С каждым из этих трех типов связаны особые виды фотопигментов. Отсутствие либо неправильное функционирование колбочек приводит к цветовой слепоте.

Наша способность слышать и воспринимать как сложный музыкальный фрагмент, так и слова из обычного повседневного разговора зависит от слуховых рецепторов в ушах. Звуковые волны заставляют колебаться три мельчайшие косточки в среднем ухе, что, в свою очередь, приводит к колебаниям жидкости, заполняющей внутреннее ухо, и эта жидкость воздействует на тысячи находящихся там волосковых клеток, которые и превращают эти звуковые колебания в нервные импульсы. При этом каждая отдельная волосковая клетка наиболее чувствительна к звуковым колебаниям определенной частоты и реагирует лишь на них. В среднем частотные характеристики воспринимаемых звуковых колебаний двух соседних волосковых клеток отличаются на 0,2 процента. Для сравнения можно сказать, что частотные характеристики двух соседних струн фортепьяно отличаются на целых 6 процентов. Каждая волосковая клетка передает воспринимаемые ею колебания примерно десяти нервным клеткам. Затем вся поступающая информация обрабатывается мозгом. Утрата волосковых клеток либо их неправильное функционирование являются основной причиной потери слуха у человека.

Специалисты, работающие с духами, утверждают, что способны различать до 5 тысяч различных запахов. Клетки, расположенные в носу и во рту, передают эту информацию в мозг. В носу расположены особые нервные клетки с отростками, обращенными в полость носа, которые имеют на конце, как правило, около десяти ресничек. Другой конец этих нервных клеток соединен с нервными волокнами, которые посылают в мозг сигналы о запахах.

Реснички обонятельных клеток носа имеют рецепторы, способные выявлять запахи, — всего таких рецепторов около тысячи. Когда молекула запаха связывается с рецептором, это инициирует нервный импульс, который идет в мозг. Нервные клетки, которые опознают запахи, обновляются примерно на один процент в сутки. Они позволяют человеку распознавать до 10 тысяч различных запахов. А те, кто обладает особыми способностями на этот счет, различают до 50 тысяч запахов. В этой связи неудивительно, что около трех процентов наших генов обслуживают обонятельные клетки. Но все равно — собаки распознают запахи в десять раз лучше людей.

Вкус еды и питья определяется при помощи клеток, расположенных на языке и в ротовой полости. Дегустаторы способны различать более ста различных вкусов. Обычным же людям легче всего даются четыре основных вкуса: горький, соленый, кислый и сладкий. Нервные клетки, заведующие вкусом, отличаются от других нервных клеток тем, что живут очень недолго — они постоянно обновляются.

Почти все нервные клетки расположены в головном и спинном мозге. Как мы уже знаем, спинной мозг развивается из нервной трубки эмбриона; во время этого процесса часть клеток в трубке превращается в моторные нервы, которым предназначено доносить импульсы до мышц нашего тела, и сенсорные нервы, которые будут приносить информацию со всей поверхностности нашего тела. Те клетки, которым суждено сформировать нервы, возникают в результате деления стволовых клеток. Повторяющиеся циклы деления и миграция вновь образованных нервных клеток во время развития эмбриона приводят к формированию слоев нервов в спинном мозге.

В ходе дальнейшего формирования нервов определяется, куда они протянут свои аксоны и с какими клетками произойдет их соединение. Данные обстоятельства обусловливаются расположением клеток. Считается, например, что там, где высока концентрация нашего старого приятеля «Акустического ежа», развиваются моторные нервные клетки. Вероятно, расположенные вдоль оси нервной трубки клетки обмениваются информацией для того, чтобы обеспечить максимальную точность в выборе своих позиций. В результате одни моторные нервы протягивают свои аксоны к мышцам на внешней стороне конечностей, а другие — к мышцам на внутренней стороне.

Чтобы нервы смогли дотянуться до своих конечных целей во время развития эмбриона, крайне важна правильная ориентация растущего аксона. Еще на ранней стадии развития нервной клетки на кончике аксона формируется бугорок роста. Он направляет движение растущего аксона и тянет его за собой: подобно клетке, мигрирующей в пределах организма, он постоянно выбрасывает вперед тонкие, похожие на пальцы отростки; они прикрепляются к той поверхности, над которой движется бугорок роста, и затем сокращаются. Выбрасывание и последующее сокращение этих отростков тянет бугорок роста вместе с растущим аксоном вперед. Эти отростки ощупывают окружающую среду и определяют, в какую именно сторону следует направиться растущему аксону. Направление движения бугорка роста определяется молекулами, испускаемыми поверхностью тех клеток, над которыми он проходит. Одни молекулы «отталкивают» его, другие, наоборот, «притягивают».

Как иллюстрацию к сказанному можно рассмотреть то, как оптический нерв, исходящий из сетчатки глаза, устанавливает необходимые соединения с соответствующими долями головного мозга. Этот механизм изучен на примере лягушек, однако те же самые принципы задействованы и в человеческом организме. Светочувствительные клетки сетчатки активируют нервы, которые образуют оптический нерв, и нервы из правого глаза протягиваются в левое полушарие мозга, в то время как нервы из левого глаза устанавливают соединение с нервными клетками правого полушария. Существует абсолютно точное соответствие между отдельными областями сетчатки и соответствующими им зонами головного мозга. Во время экспериментов на лягушках в случае, если оптический нерв перерезали и глаз лягушки поворачивали на 180 градусов так, что он оказывался направленным вниз, аксоны вырастали вновь и устанавливали прежний контакт с соответствующими им зонами головного мозга. Однако в этом случае взгляд лягушки был «повернут» на 180 градусов: когда лягушка хотела схватить муху, она совершала движение головой в противоположном от нее направлении.