Если для нас с вами колебания температуры окружающей среды даже в несколько градусов ничем не грозят — можно надеть пальто или же, наоборот, включить кондиционер, — то для «холоднокровных» каждая доля градуса имеет значение. Тем более для маленьких животных, тело которых практически не обладает «буферными способностями».
И ни одна защитная оболочка — неважно, способна она выдержать гигантское давление или очень кислую среду — не будет способна защитить тело от охлаждения или перегрева. Даже рекордсменам по выживанию в экстремальных условиях среди многоклеточных — круглым червям — при небольших колебаниях температуры приходится выбирать: либо уползти туда, где привычней, или же изменить свой обмен веществ.
Видимо, от такой жизни они и стали сверхчувствительными: как показали Мириам Гудман и её коллеги из стэнфордского университета (внесен Минюстом в перечень нежелательных в России организаций), отдельные нейроны С.elegans способны улавливать колебания в 0,1o.
Люди и большинство млекопитающих тоже способны справиться с этой задачей, однако для достоверной «регистрации» зверям нужно как минимум 400 нейронов.
В публикации в Nature Neuroscience американские нейрофизиологи показали, что на каждом термочувствительном нейроне червя, названном AFD, располагаются ионные каналы, открывающиеся при нагреве и закрывающиеся при охлаждении.
расположены на кожной поверхности и во внутренних органах и служащие для контроля за температурными изменениями. Выделяют холодовые, с оптимумом чувствительности 28-38 градусов, и тепловые, с оптимумом 35-43 градуса. Наибольшая плотность распределения терморецепторов на лице, наименьшая - на подошве ног. Существуют также отдельные терморецепторы, контролирующие температуру крови, расположенные в гипоталамической области мозга.
Гудман воспользовалась так называемым методом «пэтч-кламп», когда к отдельной клетке «подсасывается» тонкий стеклянный микроэлектрод. Это позволяет измерять потенциал и электрические токи через отдельные участки мембраны. А если осторожно прорвать мембрану на площади контакта, то тоненький электрод окажется соединенным с цитоплазмой, и мы сможем узнать заряд всей клетки. Таким образом ученым удалось зарегистрировать изменения напряжения даже при небольших колебаниях температуры.
был введен в исследовательскую практику Эрвином Неером и Бертом Сакманом, когда в 1976 году ими была опубликована статья в журнале Nature, которая называлась «Токи через одиночные каналы в мембране волокна денервированной мышцы лягушки». Это открыло путь для изучения на молекулярном уровне электрических свойств мембран и регуляции различных транспортных процессов. Отчасти за это они в 1991 году получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине.
Основой для создания метода послужило обнаружение факта, что при определённых условиях клеточная мембрана формирует очень плотный контакт с поверхностью кончика стеклянного микроэлектрода. При небольшом разрежении, создаваемом внутри пипетки, между стеклом и мембранным фрагментом возникает контакт, имеющий гигаомное сопротивление. В результате образуется электрически изолированный участок мембраны, и шум регистрирующего сигнала уменьшается на несколько порядков. Так как контакт мембраны со стеклом очень прочен, то находящийся под кончиком электрода фрагмент надо либо изолировать от клетки, либо разрушить, и таким образом проникнуть внутрь клетки.
Существует несколько вариантов метода пэтч-кламп. Наиболее близким к естественным условиям является вариант измерения ионных токов на прикреплённой, но неповрежденной (cell-attached) клетке, поскольку исследуемый участок г99зэмембраны не отделяется от клетки и не нарушается его связь с цитоплазмой. Измерение на целой клетке при разрушении мембраны в кончике микропипетки (whole-cell) позволяет заменять ионный состав цитоплазмы и изучать на диализированных таким образом клетках ионные токи в режиме фиксации напряжения.
Для того чтобы выяснить механизм этого феномена, ученым пришлось перебрать несколько «мутантов» — червей, генетически лишенных той или иной составляющей нейрона.
Как выяснилось, это каналы TAX-4/2, внутриклеточно активируемые молекулой цГМФ и в её отсутствии практически не реагирующие на колебания температуры.
Отсюда вторая необходимая составляющая – фермент гуанилатциклаза, в обязательном порядке присутствующий в AFD-нейронах. Вся вместе эта система обеспечивает феноменальную точность, реагирующую на колебания меньше 0,1 oС, а ведь изменения энергии, передающиеся при этом нейрону, не превышают энергию одного фотона видимого света.
Сравнение с фоторецепторами на этом не остановилось: по мнению ученых, высокая чувствительность и AFD-нейронов, и палочек с колбочками обеспечивается большим количеством микроворсинок, увеличивающих площадь поверхности, играющую роль «усилителя» электрического сигнала.
Млекопитающим не так повезло: для того чтобы соотношение «сигнал/шум» достоверно позволило зарегистрировать потепление или похолодание такого масштаба, нужно 400 нейронов, в этом случае вероятность по сравнению с одним нейроном повысится в 20 раз. C.elegans такую расточительность позволить себе не может: ведь вся нервная система червя вкупе с «эквивалентом» мозга насчитывает всего лишь 302 нейрона, роль каждого из которых более или менее известна.
Насколько описанные процессы справедливы для наших терморецепторов, пока неясно. Для нейрофизиологов способность свободных нервных окончаний распознавать тепло и холод, и механизм, лежащий в основе этих процессов, пока остаются загадкой.
