Клетки имеют возможность генерировать собственные электрические сигналы благодаря микродвижениям своей мембраны. Новое исследование открывает новые горизонты для создания умных материалов, вдохновленных биологическими процессами.
Группа исследователей выдвинула новую теорию, которая объясняет, как живые клетки производят собственное электричество. Основное внимание в данной концепции уделяется клеточной мембране — тонкой оболочке, окружающей каждую клетку и контролирующей обмен веществами, сообщает ScienceDaily.
Каждая клетка заполнена активными белками, которые постоянно меняют свою конфигурацию, реагируют и выполняют химическую работу. Ключевым процессом является гидролиз АТФ — разложение молекулы аденозинтрифосфата, которое обеспечивает энергией внутриклеточные процессы. Все эти молекулярные события влияют на состояние клеточной мембраны, заставляя ее колебаться и деформироваться.
Новые расчеты показывают, что такие динамические деформации могут приводить к возникновению электрического эффекта, известного как флексоэлектричество. Суть явления заключается в том, что любое искажение формы материала создает разницу напряженности электрического поля. Таким образом, микроскопические волны на поверхности мембраны производят небольшой электрический заряд.
По мнению специалистов, возникающие электрические потенциалы достаточно значимы. Некоторые рассчитанные значения достигают порядка 90 мВ, что сопоставимо с изменениями напряжения, наблюдаемыми в нервных волокнах при прохождении импульсов. Время протекания таких изменений также совпадает с характеристиками нервных сигналов, составляя всего несколько миллисекунд. Этот результат позволяет предположить, что подобные механизмы могут оказывать влияние на передачу сигналов между нейронами и лежат в основе множества физиологических процессов.
Не исключено, что напряжения, создаваемые мембраной, могут инициировать движение ионов в обратном направлении относительно естественного электрохимического градиента. В нормальных условиях ионы перемещаются из зоны высокой концентрации в зону низкой, следуя своему заряду. Мембранные вибрации могут создавать обстоятельства, препятствующие этому потоку, фактически толкая ионы против течения. Авторы предполагают, что такое необычное поведение связано с особыми физическими свойствами самой мембраны, такими как упругость и чувствительность к электрическому воздействию. Эти характеристики определяют природу ионного транспорта и поляризацию среды вокруг клетки.
Ученые видят значительный потенциал своей модели далеко за пределами одной клетки. Расширяя область исследования до тканевого уровня, можно понять, как согласованная работа большого числа клеток формирует более крупные электрофизиологические схемы. Возможно, этот подход объяснит природу чувствительных реакций организма, основы мозговой активности и внутренние энергетические процессы самих клеток. Более того, предложенное физическое обоснование может оказаться полезным в разработке искусственных материалов, имитирующих свойства живых тканей. Это могло бы стать важным шагом вперед в создании синтетических аналогов живого вещества и электронных устройств нового поколения.
Фото: hi-tech.mail.ru