Александр Волошин – Нейротон. Занимательные истории о нервном импульсе (страница 37)
Они предположили, а потом и доказали, что скорость проведения электрического потенциала зависит от толщины нервного волокна. Чем тот толще, тем быстрее способен передавать сигнал. Такое предположение впервые выдвинул шведский физиолог Густав Гётлин ещё в 1907 году, но с тех пор никто не пытался проверить или опровергнуть его.
Для наглядности классификации Гассер свёл все параметры в единую таблицу, которую и поныне можно найти в медицинских справочниках.
Эти опыты значительно продвинули учёных в понимании механизма прохождения нервного импульса и легли в основу нейрофизиологии. Все полученные све́дения позднее были применены в модели нервной проводимости, разработанной Аланом Ходжкином и Эндрю Хаксли в 1952 году.
В 1937 годe Гассер и Эрлангер опубликовали совместную книгу «Электрическая регистрация нервной деятельности». А в 1944 им вручили Нобелевскую премию «за открытия, имеющие отношение к высокодифференцированным функциям отдельных нервных волокон». Церемонию награждения во время Второй мировой войны не проводили, только по радио транслировали поздравительную речь. Но в 1947 году они всё же прочитали свои Нобелевские лекции «Нервные волокна млекопитающих» в Стокгольме.
Кабельная теория и подводные кабельные линии
Проводя своё расследование источников современных представлений о нейроне, я раскопал и эту историю. Она показалась мне настолько интересной, что рискнул вам о ней рассказать.
О строительстве первых трансатлантических телеграфных линий написал тогда ещё не фантаст, но уже замечательный писатель Артур Кларк в своей научно-популярной книге «Голос через океан» [41] в 1940-х годах. Книга настолько интересна, что вероятно повлияла и на исследователей нервного импульса. Тем более что содержала едва ли не прямое на то указание, например, «…этот кабель – жизненный нерв современного общества, подобный нервам живого организма, это неотъемлемая часть общей мировой системы связи…» или «Человеческое общество совершенствует свою „нервную систему“, стараясь „чувствовать“ каждую часть своего организма… Связь и есть та нервная система, которая позволяет знать, что делается в данный момент в любой части мира.»
Стоит отметить, что в книге А. Кларка описаны события более чем полутора вековой давности. Как когда-то древние римляне сравнивали нервы с виадуками, так и современники описываемых событий сравнивали нервные импульсы с последними технологическими достижениями. Поэтому не удивительно, что компетентнейший учёный тех лет Герман Гельмгольц писал: «Нервные волокна часто сравнивают с телеграфными проводами, пересекающими местность, и это сравнение хорошо приспособлено для иллюстрации удивительных и важных особенностей их образа действия. В телеграфной сети везде мы обнаруживаем те же медные или стальные провода, несущие только один вид движения, поток электричества, но вызывающие самые разные результаты на разных станциях в соответствии с дополнительной аппаратурой, с которой провода соединены. На одной станции эффект состоит в звонке колокольчика, на другой сигнал просто передаётся дальше, на третьей вступает в работу записывающий аппарат. …Говоря коротко, каждое из… различных действий, вызываемых электричеством, может быть вызвано и передано проводом в любую необходимую точку. При этом в проводе происходит один и тот же процесс, приводящий к самым разным последствиям. …Та разница, которую мы видим при возбуждении различных нервов, заключается только в разнице самих органов, к которым присоединён нерв и которым передаётся состояние возбуждения». [42]
Поэтому, возможно, в 1940-х годах, с подачи Лудимара Германа, Алан Ходжкин со своими коллегами математически применили кабельную теорию Томсона (Кельвина) к аксонам беспозвоночных, тем самым положив начало современному математическому описанию и моделированию нейронов.
С чего всё началось. Первый подводный кабель, передающий электрический сигнал, был проложен в Мюнхене по дну реки Изар в 1811-м году. Идея принадлежала немецкому врачу и изобретателю Зёммерингу (
Однако из-за отсутствия технологии эффективной гидроизоляции долгое использование подобного кабеля не представлялось возможным. Лишь изобретение в 1847 году Сименсом технологии изготовления изоляции из гуттаперчи1 позволило начать работы по прокладке кабеля между Кале и Дувром (который, кстати, разорвался после пересылки первой же телеграммы, а год спустя после замены его новым армированным кабелем, тоже прослужил недолго).
В 1856 году было основано акционерное общество «Atlantic Telegraph Company», которое в 1857 году приступило к укладке 4500-километрового армированного телеграфного кабеля через Атлантический океан. Кабель, весивший около 550 кг/км, состоял из семи медных проводов, покрытых тремя слоями гуттаперчи и защитной оболочкой из стальных тросов.
В августе 1857 года корабли «Агамемнон» и «Ниагара» начали прокладку от юго-западного берега Ирландии, однако, из-за разрыва кабеля работу пришлось отложить на год.
Вторая попытка была предпринята летом 1858 года. На этот раз решили начать прокладку от точки стыковки в океане, примерно посередине между Ирландией и Ньюфаундлендом. 26 июля «Агамемнон» и «Ниагара», каждый со своей половиной кабеля на борту, встретившись в Атлантическом океане, соединили половины кабеля, опустили его в воду и начали укладку в разных направлениях.
В процессе прокладки кабель несколько раз разрывался, и кораблям приходилось возвращаться, чтобы начать заново.
5 августа корабли достигли своих пунктов назначения – островов Валентия и Ньюфаундленд, – и была установлена первая трансатлантическая телеграфная линия, соединяющая Старый и Новый Свет. 16 августа 1858 года королева Великобритании Виктория и президент США Джеймс Бьюкенен обменялись поздравительными телеграммами. Приветствие английской королевы состояло из 103 слов, передача которых длилась 16 часов! Никто до этого и предположить не мог, что скорость передачи будет столь далека от скорости света. Телеграфировать в таком медленном темпе приходилось потому, что из-за огромной электрической ёмкости и сопротивления длинного кабеля короткие импульсы тока «расплывались» на приёмном конце подобно чернильным кляксам на промокашке.
Уже в сентябре 1858 года связь была нарушена. Видимо, ввиду недостаточной гидроизоляции, кабель был испорчен коррозией. Другой возможной причиной разрушения стали слишком высокие напряжения – 2000 вольт, подаваемые на линию с английской стороны с целью ускорения передачи.
В пятидесятых годах XIX века Уильям Томсон (
Многие ошибочно полагают, будто электрический ток идёт по проводу со скоростью света, равной 300 000 километров в секунду. На самом же деле ток течёт по проводам в несколько раз медленнее, чем распространяется свет.
Скорость тока в кабеле тем меньше, чем больше его электрическая ёмкость, измеряемая в Фарадах. К счастью для телеграфной связи, на первых порах это явление не оказывало практически никакого влияния. Ёмкость коротких линий была столь мала, что сигналы проходили по ним без сколько-нибудь заметной задержки. Но когда были проложены трансконтинентальные кабели, эта задержка послужила источником многих проблем.
Исследования Томсона привели к открытию его знаменитого «закона квадратов», согласно которому скорость телеграфирования по кабелю обратно пропорциональна квадрату его длины. Иначе говоря, увеличив длину кабеля, например, в 10 раз, мы получим снижение скорости передачи в 100 раз. Безусловно, что такое открытие имело исключительно важное значение для подводного телеграфирования на дальние расстояния.
Компенсировать уменьшение скорости передачи по длинным телеграфным линиям инженеры того времени могли исключительно, увеличивая диаметр токопроводящей жилы и улучшая гидроизоляцию.
Спустя шесть лет, в 1864 году началась укладка 5100-километрового кабеля с улучшенной изоляцией, 7-проволочная медная жила была изолирована четырьмя слоями гуттаперчи и покрыта сначала пропитанной пенькой, затем десятью стальными бронепроволоками, каждая из которых предварительно обмотана слоем пеньки. На береговые концы трансатлантического кабеля конструкции 1865 года поверх глубоководного кабеля наложены пеньковая подушка и усиленная броня, состоящая из 12 тросов, каждый из которых скручен из трёх стальных проволок [41].
1