Μια κρυφή πηγή ηλεκτρικής ενέργειας φαίνεται να βρίσκεται μέσα στα ίδια μας τα κύτταρα. Ερευνητές στις ΗΠΑ υποστηρίζουν ότι η συνεχής κίνηση της κυτταρικής μεμβράνης μπορεί να παράγει ηλεκτρικά σήματα, ανοίγοντας νέους δρόμους στην κατανόηση βασικών βιολογικών λειτουργιών.
Στο επίκεντρο της υπόθεσης των ερευνητών, βρίσκεται η κυτταρική μεμβράνη, το λεπτό, εύκαμπτο στρώμα που περιβάλλει κάθε ζωντανό κύτταρο και ελέγχει τι εισέρχεται και τι εξέρχεται από αυτό. Αντί να αποτελεί ένα στατικό φράγμα, αυτή η μεμβράνη κινείται συνεχώς και αναδιαμορφώνεται σε πολύ μικρή κλίμακα. Στη μελέτη τους, οι ερευνητές αποδεικνύουν ότι αυτές οι μικροσκοπικές κινήσεις μπορούν να προκαλέσουν πραγματικά ηλεκτρικά φαινόμενα.
Αρχικά, οι ερευνητές από τα Πανεπιστήμια του Χιούστον και του Ράτγκερς, ανέπτυξαν ένα μαθηματικό μοντέλο για να διερευνήσουν τον τρόπο με τον οποίο οι φυσικές δυνάμεις στο εσωτερικό των κυττάρων αλληλεπιδρούν με τη βιολογική δραστηριότητα. Η έρευνά τους επικεντρώθηκε στον τρόπο με τον οποίο η κίνηση σε μοριακό επίπεδο μπορεί να μετατραπεί σε ηλεκτρικά σήματα που διαπερνούν τη μεμβράνη.
Μέσα σε κάθε κύτταρο, οι πρωτεΐνες αλλάζουν συνεχώς σχήμα, αλληλεπιδρούν με άλλα μόρια και πραγματοποιούν χημικές αντιδράσεις. Μια σημαντική διαδικασία είναι η υδρόλυση της τριφωσφορικής αδενοσίνης (ATP), δηλαδή ο τρόπος με τον οποίο τα κύτταρα τη διασπούν για να απελευθερώσουν ενέργεια. Η ΑΤΡ ειναι μία πρωταρχικής σημασίας βιοχημική ουσία, η οποία συναντάται σε όλους τους αερόβιους και μη οργανισμούς (φυτικούς και ζωικούς) και δρα ως φορέας χημικής ενέργειας. Αυτές οι ενεργές βιολογικές διαδικασίες δεν συμβαίνουν αθόρυβα. Την ωθούν και την έλκουν, προκαλώντας κάμψεις, κυματιστές κινήσεις και συνεχείς ταλαντώσεις.
Το μοντέλο των ερευνητών έδειξε ότι αυτές οι συνεχείς κινήσεις της μεμβράνης μπορούν να προκαλέσουν ένα φαινόμενο γνωστό ως φλεξοηλεκτρισμό, την ικανότητα μετατροπής της βαθμίδας παραμόρφωσης σε πολικότητα και το αντίστροφο. Σε αυτή την περίπτωση, η κάμψη της κυτταρικής μεμβράνης μπορεί να δημιουργήσει μια ηλεκτρική διαφορά μεταξύ του εσωτερικού και του εξωτερικού του κυττάρου.
Τάσεις συγκρίσιμες με νευρικά σήματα
Σύμφωνα με ην υπόθεση αυτή, οι ηλεκτρικές τάσεις που δημιουργούνται κατά μήκος της μεμβράνης μπορεί να είναι εκπληκτικά ισχυρές. Σε ορισμένες περιπτώσεις, μπορούν να φτάσουν έως και τα 90 χιλιοβόλτ. Το επίπεδο αυτό είναι αξιοσημείωτο, διότι είναι παρόμοιο με τις αλλαγές τάσης που παρατηρούνται στους νευρώνες όταν εκπέμπουν ηλεκτρικά σήματα.
Ο συγχρονισμός ταιριάζει επίσης με αυτό που συμβαίνει στο νευρικό σύστημα. Οι μεταβολές της ηλεκτρικής τάσης εκδηλώνονται σε κλίμακα χιλιοστών του δευτερολέπτου, χρονικό εύρος που ταιριάζει απόλυτα με το σχήμα και τη δυναμική των τυπικών δυναμικών δράσης των νευρώνων. Αυτό υποδηλώνει ότι οι ίδιες φυσικές αρχές θα μπορούσαν να διαδραματίσουν ρόλο στον τρόπο με τον οποίο επικοινωνούν τα νευρικά κύτταρα.
Οι ερευνητές εκτιμούν ότι οι τάσεις που δημιουργούνται από την κίνηση της μεμβράνης θα μπορούσαν να συμβάλλουν ενεργά στη μετακίνηση ιόντων – ηλεκτρικά φορτισμένων ατόμων που τα κύτταρα χρησιμοποιούν για τη μετάδοση σημάτων και τη διατήρηση της εσωτερικής τους ισορροπίας. Κανονικά, τα ιόντα ρέουν κατά μήκος ηλεκτροχημικών κλίσεων, που σημαίνει ότι μετακινούνται από περιοχές υψηλής συγκέντρωσης σε περιοχές χαμηλής συγκέντρωσης.
Από μεμονωμένα κύτταρα σε ιστούς και νέα υλικά
Εφαρμόζοντας τις ίδιες αρχές σε ομάδες κυττάρων, οι επιστήμονες θα μπορούσαν να διερευνήσουν πώς η συντονισμένη δραστηριότητα της μεμβράνης οδηγεί σε ηλεκτρικά μοτίβα μεγαλύτερης κλίμακας σε όλους τους ιστούς.
Οι ερευνητές υποστηρίζουν ότι αυτός ο μηχανισμός προσφέρει μια φυσική βάση για την κατανόηση της αισθητηριακής αντίληψης, της νευρωνικής ενεργοποίησης και ακόμη και του τρόπου με τον οποίο τα ζωντανά κύτταρα μπορούν να συλλέγουν ενέργεια εσωτερικά. Μπορεί επίσης να συμβάλει στη σύνδεση της νευροεπιστήμης με την ανάπτυξη βιοεμπνευσμένων και φυσικά ευφυών υλικών, προσφέροντας νέους τρόπους σχεδιασμού συστημάτων που μιμούνται την ηλεκτρική συμπεριφορά των ζωντανών ιστών.
Η έρευνα δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό PNAS Nexus.
