Мы изучили биоэлектричество в клетках. Мы изучали биоэлектричество в человеческом теле. Теперь функциональное применение «электротехники» находят и в промежуточных областях.

Физики изучают электростатику – законы, управляющие неподвижными зарядами. Еще они изучают электродинамику – законы, управляющие движущимися зарядами. Биологи обнаруживают, что жизнь использует обе системы законов на всех уровнях – от клетки до тканей, органов и целых организмов. Вот некоторые из последних открытий в зарождающейся науке о биоэлектричестве.

Электрическая транспортировка

Как клещ перепрыгивает с ветки на одежду, когда вы проходите через кустарник? Ответ, по мнению Current Biology, заключается в том, что он запрыгивает на электростатический поезд. Корова или другое животное-хозяин, проходящее через кусты, несет на себе статический заряд. Клещ, независимо от полярности своего заряда, «притягивается этими электрическими полями через воздушные промежутки длиной в несколько тел».

Приведенные в работе изображения показывают, что кролик или корова буквально светятся от электрического поля, когда идут через растительность. «Живые клещи пассивно привлекаются носителями электрических полей», – установили ученые в результате экспериментов и измерений. Возможно, это не очень хорошая новость для нас, но открытие позволяет найти способы борьбы с клещами.

«Мы также обнаружили, что на это электростатическое взаимодействие не оказывает существенного влияния полярность электрического поля, что свидетельствует о том, что механизм притяжения основан на индукции электрической поляризации внутри клеща, а не на статическом заряде на его поверхности. Эти результаты открывают новое измерение в нашем понимании того, как клещи, а возможно, и многие другие наземные организмы, находят и прикрепляются к своим хозяевам или переносчикам. Кроме того, это открытие может вдохновить на поиск новых решений для смягчения заметного и часто разрушительного экономического, социального и медицинского воздействия клещей на человека и домашний скот». [Подчеркивание добавлено].

Электромагнитная индукция – одно из важнейших открытий, сделанных в 1831 г. ученым Майклом Фарадеем (опубликованное в Америке на следующий год другим ученым, Джозефом Генри). Однако здесь мы видим крошечного арахнида, использующего электромагнитную индукцию. Винить клеща за этот трюк нельзя. Он не намеренно переносит микробы болезней. Он просто пользуется транспортной системой, чтобы путешествовать автостопом, как это делает дурнишник [род травянистых растений семейства Астровые – прим. перев.], когда его семена, похожие на липучки, цепляются за шерсть проходящей мимо коровы. Довольно умно, на самом деле.

Нематоды также знают об этом приеме. В другой работе, опубликованной в журнале Current Biology, ученые задались вопросом, почему дауры [личинки] обыкновенной нематоды Caenorhabditis elegans снабжены электрическими датчиками. Ответ: «электрорецепция помогает этим микроскопическим личинкам прикрепляться к насекомым для транспортировки». Ученые придумали хитроумные эксперименты, чтобы проверить и измерить этот трюк! Они заряжали шмелей до 724 тысяч вольт на метр!

«Напряженность электрического поля (200 кВ/м), необходимого для вызова прыжкового поведения у C. elegans, значительно превышает верхний предел, наблюдаемый у водных животных. Следует также отметить, что воздух является хорошим электроизолятором по сравнению с водной средой, что позволяет наземным животным переносить значительно больше электростатических зарядов. Таким образом, вполне вероятно, что дауры могут электростатически взаимодействовать с другими животными в природе. Для непосредственной проверки этой теории авторы использовали шмелей, которые, как известно, обладают высоким электростатическим зарядом в природе. Эти шмели были искусственно заряжены путем трения их о цветок канадского золотарника. Дальнейшие эксперименты подтвердили, что заряд шмелей, полученный в лаборатории, был сопоставим с тем, который наблюдается в природе. Когда заряженных шмелей помещали вблизи даур, наблюдалось прыжковое поведение. Рассчитанная напряженность электрического поля составила около 724 кВ/м, что превышает порог прыжков в 200 кВ/м. Поразительно, что одновременно прыгать могли до 80 дауров. Расстояние прыжка между даурами и шмелями примерно в пять раз превышало длину тела дауры, что также имеет биологический смысл».

Электродинамика растений на примере венериной мухоловки

Участие электричества в хорошо известных ловушках венерина мухоловка Dionaea muscipula получает все большее признание. Исследователи из Университета Линчепинга (Швеция) говорят о потоке электрических сигналов в этих удивительных растениях – и, вероятно, в той или иной степени во всех растениях.

«Большинство людей знают, что нервная система человека и других животных посылает электрические импульсы. Но есть ли электрические сигналы у растений, несмотря на отсутствие у них нервной системы? Да, у растений есть электрические сигналы, которые генерируются в ответ на прикосновение и стрессовые факторы, такие как раны, нанесенные травоядными, и нападение на корни. В отличие от животных, которые могут переместиться с места на место, растения вынуждены бороться со стрессовыми факторами в месте своего произрастания».

Для растения, которое изучал Дарвин, удивительно, как много еще неизвестно о распространении электричества в венериной мухоловке. Как растение, не имеющее нейронов, может проводить электричество? Команда исследователей обнаружила несколько новых фактов.

«Электрическая сигнализация в живых организмах основана на разнице напряжения между внутренним пространством клетки и внешней средой. Эта разница в напряжении создается при перемещении ионов, т.е. электрически заряженных атомов, между внутренней и внешней частями клетки. При возникновении сигнала – например, при механической стимуляции в виде сгибания сенсорного волоска – ионы очень быстро проходят через клеточную мембрану. Быстрое изменение напряжения приводит к возникновению импульса, который распространяется».

Их результаты, опубликованные в журнале Science Advances, пополняют знания об электрофизиологии растений. Они тщательно наблюдали за «потенциалами действия» ловушек и за тем, как сигнал распространяется в листе. Используя 30 тонких электродов, расположенных в «нейросетке», прикрепленной к внутренней стороне ловушки, команда обнаружила, что сначала распространяется потенциал действия (ПД), а затем волна ионов кальция. Как и ожидалось, она начинается в триггерном волоске, но затем распространяется радиально наружу со скоростью 2 см/с по обеим долям ловушки без определенного направления.

Биологам давно известно, что для закрытия ловушки необходимо дважды в течение тридцати секунд коснуться волосков триггера. Этот трюк позволяет ловушкам игнорировать неживые раздражители, но как кодируется этот порог – неясно. Неужели коды?

«Кроме того, любая комбинация стимуляции волоска вызывает более быстрое распространение ПД во время второй стимуляции, что указывает на то, что информация о возбудимости должна быть закодирована во всей ловушке, а не связана только со стимулированным волоском. Природа такого кодирования информации остается неясной».

Это первый случай применения биологами методов измерения электропередачи в растениях, которые обычно проводились на животных, например, на мозге грызунов. Авторы с нетерпением ждут возможности узнать больше об электричестве в растениях. А как же дарвинизм? По-видимому, эта гипотеза им не нужна.

Подробнее о микробах

Появились новые данные о межклеточном электричестве в бактериях. В мае Phys.org опубликовал статью «Первое экспериментальное подтверждение того, что некоторые микробы питаются электричеством». В процессе «электросинтеза» бактерии могут производить спирт, используя углекислый газ и электричество, но как они это делают, до сих пор неясно. В новом исследовании, проведенном в Германии, «впервые удалось экспериментально подтвердить, что бактерии используют электроны из водорода и могут производить больше химических веществ, чем было известно ранее». В отчете об этом исследовании, опубликованном на сайте ChemEurope.com, говорится, что оно может привести к использованию бактерий для производства полезных химических веществ в промышленности. Кормите микробов водородом и наблюдайте, как они запускают свои электростанции.

Месяцем ранее Университет Дьюка сообщил, что «ранее неизвестное внутриклеточное электричество может вдохновить биологию». В частности, в этой статье говорится, что электрические поля могут лежать в основе образования биологических конденсатов, которые объединяют взаимодействующие молекулы.

Будущее биоэлектричества выглядит радужным. Здесь неожиданная серия открытий открыла дверь к новым взглядам на биологические процессы. А вместе с ней, как и в предыдущих открытиях, биологи находят коды, передачу информации и изящную инженерию.