Ми вивчили біоелектрику в клітинах. Ми вивчали біоелектрику в людському тілі. Тепер функціональне застосування «електротехніки» знаходять і в проміжних галузях.

Фізики вивчають електростатику – закони, що керують нерухомими зарядами. Ще вони вивчають електродинаміку – закони, що керують рухомими зарядами. Біологи виявляють, що життя використовує обидві системи законів на всіх рівнях – від клітини до тканин, органів й цілих організмів. Ось деякі з останніх відкриттів у науці про біоелектрику, що зароджується.

Електричне транспортування

Як кліщ перестрибує з гілки на одяг, коли ви проходите через чагарник? Відповідь, на думку Current Biology, полягає в тому, що він застрибує на електростатичний поїзд. Корова або інша тварина-господар, що проходить через кущі, несе на собі статичний заряд. Кліщ, незалежно від полярності свого заряду, «притягується цими електричними полями через повітряні проміжки завдовжки в кілька тіл».

Наведені в роботі зображення показують, що кролик або корова буквально світяться від електричного поля, коли йдуть через рослинність. «Живі кліщі пасивно притягуються носіями електричних полів», – встановили вчені в результаті експериментів й вимірювань. Можливо, це не дуже гарна новина для нас, але відкриття дає змогу знайти способи боротьби з кліщами.

«Ми також виявили, що на цю електростатичну взаємодію не чинить істотного впливу полярність електричного поля, що свідчить про те, що механізм притягувння заснований на індукції електричної поляризації всередині кліща, а не на статичному заряді на його поверхні. Ці результати відкривають новий вимір в нашому розумінні того, як кліщі, а можливо, й багато інших наземних організмів, знаходять й прикріплюються до своїх господарів або переносників. Окрім того, це відкриття може надихнути на пошук нових рішень для пом'якшення помітного й часто руйнівного економічного, соціального та медичного впливу кліщів на людину й домашню худобу». [Підкреслення додано].

Електромагнітна індукція – одне з найважливіших відкриттів, зроблених в 1831 р. вченим Майклом Фарадеєм (опубліковане в Америці наступного року іншим вченим, Джозефом Генрі). Однак тут ми бачимо крихітного арахніда, який використовує електромагнітну індукцію. Звинувачувати кліща за цей трюк не можна. Він не навмисно переносить мікроби хвороб. Він просто користується транспортною системою, щоб подорожувати автостопом, як це робить нетреба звичайна [рід трав'янистих рослин родини Айстрові – прим. перекл.], коли його насіння, схоже на липучки, чіпляється за шерсть корови, що проходить повз. Досить розумно, насправді.

Нематоди також знають про цей прийом. В іншій роботі, опублікованій у журналі Current Biology, вчені задалися питанням, чому даури [личинки] звичайної нематоди Caenorhabditis elegans обладнані електричними датчиками. Відповідь: «електрорецепція допомагає цим мікроскопічним личинкам прикріплятися до комах для транспортування». Вчені придумали хитромудрі експерименти, щоб перевірити й виміряти цей трюк! Вони заряджали джмелів до 724 тисяч вольт на метр!

«Напруженість електричного поля (200 кВ/м), необхідного для виникнення стрибаючої поведінки в C. elegans, значно перевищує верхню межу, що спостерігається у водних тварин. Слід також зазначити, що повітря є хорошим електроізолятором порівняно з водним середовищем, що дає змогу наземним тваринам переносити значно більше електростатичних зарядів. Таким чином, цілком ймовірно, що даури можуть електростатично взаємодіяти з іншими тваринами в природі. Для безпосередньої перевірки цієї теорії автори використовували джмелів, які, як відомо, мають високий електростатичний заряд в природі. Ці джмелі були штучно заряджені шляхом тертя їх об квітку канадського золотушника. Подальші експерименти підтвердили, що заряд джмелів, отриманий в лабораторії, можна було порівняти з тим, який спостерігається в природі. Коли заряджених джмелів поміщали поблизу даур, спостерігалася стрибаюча поведінка. Розрахована напруженість електричного поля становила близько 724 кВ/м, що перевищує поріг стрибків у 200 кВ/м. Вражає, що одночасно стрибати могли до 80 даурів. Відстань стрибка між даурами й джмелями приблизно в п'ять разів перевищувала довжину тіла даури, що також має біологічний сенс». [Підкреслення додано].

Електродинаміка рослин на прикладі венериної мухоловки

Участь електрики в добре відомих пастках венерина мухоловка Dionaea muscipula набуває все більшого визнання. Дослідники з Університету Лінчепінга (Швеція) говорять про потік електричних сигналів у цих дивовижних рослинах – і, ймовірно, тією чи іншою мірою в усіх рослинах.

«Більшість людей знають, що нервова система людини та інших тварин посилає електричні імпульси. Але чи є електричні сигнали в рослин, незважаючи на відсутність у них нервової системи? Так, у рослин є електричні сигнали, які генеруються у відповідь на дотик й стресові чинники, як-от рани, завдані травоїдними, й напад на коріння. На відміну від тварин, які можуть переміститися з місця на місце, рослини змушені боротися зі стресовими факторами на місці свого росту».

Для рослини, яку вивчав Дарвін, дивно, як багато ще невідомо про поширення електрики у венериній мухоловці. Як рослина, що не має нейронів, може проводити електрику? Команда дослідників виявила кілька нових фактів.

«Електрична сигналізація в живих організмах ґрунтується на різниці напруги між внутрішнім простором клітини й зовнішнім середовищем. Ця різниця в напрузі створюється під час переміщення іонів, тобто електрично заряджених атомів, між внутрішньою й зовнішньою частинами клітини. При виникненні сигналу – наприклад, при механічній стимуляції у вигляді згинання сенсорної волосини – іони дуже швидко проходять через клітинну мембрану. Швидка зміна напруги призводить до виникнення імпульсу, який поширюється».

Їхні результати, опубліковані в журналі Science Advances, поповнюють знання про електрофізіологію рослин. Вони ретельно спостерігали за «потенціалами дії» пасток й за тим, як сигнал поширюється в листі. Використовуючи 30 тонких електродів, розташованих в «нейромережі», прикріпленій до внутрішньої сторони пастки, команда виявила, що спочатку поширюється потенціал дії (ПД), а потім хвиля іонів кальцію. Як і очікувалося, вона починається в тригерній волосині, але потім поширюється радіально назовні зі швидкістю 2 см/с по обох половинках пастки без певного напрямку.

Біологам давно відомо, що для закриття пастки необхідно двічі протягом тридцяти секунд торкнутися тригерної волосини. Цей трюк дозволяє пасткам ігнорувати неживі подразники, але як кодується цей поріг – незрозуміло. Невже коди?

«Окрім того, будь-яка комбінація стимуляції волосини спричиняє більш швидке поширення ПД під час другої стимуляції, що вказує на те, що інформація про збудливість має бути закодована в усій пастці, а не пов'язана тільки з тригерною волосиною. Природа такого кодування інформації залишається незрозумілою».

Це перший випадок застосування біологами методів вимірювання електропередачі в рослинах, які зазвичай проводилися на тваринах, наприклад, на мозку гризунів. Автори з нетерпінням чекають можливості дізнатися більше про електрику в рослинах. А як же дарвінізм? Мабуть, ця гіпотеза їм не потрібна.

Детальніше про мікроби

З'явилися нові дані про міжклітинну електрику в бактеріях. В травні Phys.org опублікував статтю «Перше експериментальне підтвердження того, що деякі мікроби харчуються електрикою». В процесі «електросинтезу» бактерії можуть виробляти спирт, використовуючи вуглекислий газ та електрику, але як вони це роблять, досі незрозуміло. В новому дослідженні, проведеному в Німеччині, «вперше вдалося експериментально підтвердити, що бактерії використовують електрони з водню й можуть виробляти більше хімічних речовин, ніж було відомо раніше». У звіті про це дослідження, опублікованому на сайті ChemEurope.com, йдеться про те, що воно може призвести до використання бактерій для виробництва корисних хімічних речовин в промисловості. Годуйте мікробів воднем й спостерігайте, як вони запускають свої електростанції.

Місяцем раніше Університет Дьюка повідомив, що «раніше невідома внутрішньоклітинна електрика може надихнути біологію». Зокрема, в цій статті йдеться про те, що електричні поля можуть лежати в основі утворення біологічних конденсатів, які об'єднують молекули, що взаємодіють.

Майбутнє біоелектрики виглядає райдужним. Тут несподівана серія відкриттів відкрила двері до нових поглядів на біологічні процеси. А разом з нею, як і в попередніх відкриттях, біологи знаходять коди, передачу інформації та витончену інженерію.