Новая теоретическая модель предлагает объяснение того, как живые клетки могут генерировать собственное электричество. В основе этой идеи лежит клеточная мембрана – тонкая, гибкая оболочка, которая окружает каждую живую клетку и контролирует поступление веществ. Эта мембрана не является статичным барьером; она постоянно движется и изменяет свою форму в микроскопических масштабах. Новая концепция демонстрирует, что эти крошечные движения способны порождать ощутимые электрические эффекты.
Исследование проводилось под руководством Прадипа Шармы и его коллег, которые разработали математическую модель для изучения взаимодействия физических сил внутри клеток с их биологической активностью. Их работа сосредоточена на том, как движение на молекулярном уровне может преобразовываться в электрические сигналы, проходящие через мембрану.
Внутри каждой клетки белки непрерывно изменяют форму, взаимодействуют с другими молекулами и участвуют в химических реакциях. Одним из ключевых процессов является гидролиз АТФ, посредством которого клетки расщепляют аденозинтрифосфат для высвобождения энергии. Эти активные биологические процессы не протекают пассивно – они оказывают давление на клеточную мембрану, заставляя её изгибаться, колебаться и флуктуировать.
Модель показывает, что эти постоянные движения мембраны могут вызывать явление, известное как флексоэлектричество. Флексоэлектричество возникает, когда изгиб или деформация материала порождают электрический отклик. В данном случае изгиб клеточной мембраны способен создавать электрическую разность потенциалов между внутренней и внешней сторонами клетки.
Согласно предложенной концепции, электрические напряжения, возникающие на мембране, могут быть удивительно сильными. В некоторых случаях они способны достигать 90 милливольт. Такой уровень примечателен тем, что он сопоставим с изменениями напряжения, наблюдаемыми в нейронах при передаче электрических сигналов.
Временные характеристики также соответствуют процессам, происходящим в нервной системе. Сдвиги напряжения могут происходить в течение миллисекунд, что тесно согласуется с формой и скоростью типичных кривых потенциала действия для нейронов. Это позволяет предположить, что те же физические принципы могут играть роль в коммуникации нервных клеток.
Теория идёт ещё дальше, предсказывая, что эти напряжения, генерируемые мембраной, могут активно перемещать ионы. Ионы – это электрически заряженные атомы, которые клетки используют для передачи сигналов и поддержания баланса. Обычно ионы перемещаются по электрохимическим градиентам, то есть из областей высокой концентрации в области низкой.
Новая модель предполагает, что активные флуктуации мембраны могут проталкивать ионы в противоположном направлении, работая против этих градиентов. Исследователи связывают такое поведение с определёнными свойствами мембраны, включая её эластичность и реакцию на электрические поля. Эти свойства помогают определить направление движения ионов и тип заряда, который они несут.
В перспективе авторы исследования полагают, что эта концепция может быть расширена за пределы отдельных клеток. Применяя те же принципы к группам клеток, учёные смогут исследовать, как скоординированная активность мембран приводит к крупномасштабным электрическим паттернам в тканях.
Исследователи утверждают, что этот механизм предлагает физическую основу для понимания сенсорного восприятия, возбуждения нейронов и даже того, как живые клетки могут внутренне собирать энергию. Это также может помочь навести мост между нейробиологией и разработкой биоинспирированных и физически «умных» материалов, предлагая новые способы создания систем, имитирующих электрическое поведение живых тканей.
