Электрические свойства: электропроводность и ионная специфичность

Электрические свойства лежат в основе многих клеточных процессов; один из них — избирательное связывание ионов. Свободные ионы в растворе электростатически взаимодействуют с центрами связывания в макромолекулах и мембранах. Такие взаимодействия приводят к специфичному связыванию ионов, существенному для активации ферментов и для мембранного транспорта.

Электрические поля в растительных и животных организмах

Исследование передвижения молекул ауксина в тканях под действием гравитационных сил привело к обнаружению электрического потенциала, который появляется у стеблей и корней в горизонтальном положении. Разность потенциалов составляет от 5 до 20 мВ; нижняя сторона тканей заряжена положительно, верхняя — отрицательно. Причиной возникновения электрического поля служит перемещение анионов диссоциированного ауксина. Облучение красным светом приводит к быстрым изменениям электрического потенциала в ряде органов растений.

У животных электрические свойства и связанные с этим процессы выражены в значительно большей степени, чем у растений. У рыб имеются специализированные клетки — электрорецепторы, улавливающие электрические токи в окружающей морской воде. Электрорецепторы в значительной мере служат для ориентировки, коммуникации и для обнаружения добычи. У электрического угря имеются специальные органы, состоящие из модифицированных мышечных тканей; они генерируют мощные электрические разряды. У электрических скатов рода Torpedo зарегистрированы электрические токи напряжением 200 В и мощностью 2000 Вт.

Электрические токи влияют на клеточную дифференцировку.

В ходе оплодотворения яйца возникает электрический ток. В большей части случаев полиспермия блокируется у яиц двумя способами: первый имеет электрохимическую природу, второй заключается в образовании белковой оболочки. Как только сперматозоид прикрепляется к поверхности яйца, возникает электрический ток длительностью около 30 с. Такое блокирование сходно с химическим механизмом реакции нервных клеток на возбуждающие импульсы. Поток ионов от сперматозоида проникает через ионные каналы в мембране яйца, потенциал которого из отрицательного становится положительным благодаря притоку ионов натрия. Электрическое блокирование длится достаточное время, чтобы предотвращать прикрепление других сперматозоидов до тех пор, пока не успеет образоваться белковая оболочка, более эффективно препятствующая полиспермия.

Яйца Fucus после оплодотворения высвобождаются в морскую воду. Ось полярности яйца еще до появления ризоида испытывает влияние физических факторов: будущая ризоидная сторона клетки становится электроотрицательной. В этот конец проникают ионы натрия и кальция, а в область таллома — ионы хлора, в результате чего через клетку проходит ток. Считают, что электрическое поле инициирует процесс дифференцировки.

Электрические токи и эмбриональное развитие

Возможно, роль электрических токов в эмбриональном развитии более велика, чем предполагалось. В слоях эпителия у куриных зародышей вследствие работы натриевого насоса создается положительный потенциал, вызывающий трансэпителиальные электрические токи. Эти последние могут создавать предпосылки для движения клеток зародыша или направлять эти движения. Чтобы получить количественные данные о таком процессе, изучали подвижность зародышевых клеток перепела в электрическом поле. У этих клеток обнаружилась неожиданно высокая чувствительность к слабым постоянным электрическим нолям. Наблюдались три эффекта: 1) клетки ориентировались длинными осями перпендикулярно силовым линиям поля при градиентах напряжения от 150 до 600 мВ/мм; 2) клетки перемещались к катоду, а при обращении тока двигались в обратную сторону; 3) через один час пребывания в поле с градиентом 400 мВ/мм клетки удлинялись и ориентировались перпендикулярно силовым линиям. Средняя скорость миграции клеток составляла.

Влияние электрических полей на поведение животных

При полете птицы и насекомые неизбежно испытывают на себе влияние электрических токов и сил, и в их теле индуцируются диполи. Аналогичным образом, испытывают влияние электрических токов и животные, находящиеся на земле. О влиянии электрических биополей на поведение животных свидетельствуют опыты самого разного рода.

Магнетизм: взвесь частиц в магнитных полях

Магнит это любой кусок железа или другого материала,, обладающий способностью притягивать железо или сталь; само же проявление такой способности называется магнетизмом. Силовые линии поля естественного магнита всегда сходятся к двум точкам. Все магниты — диполи, т. е. имеют две области противоположной полярности, называемые южным и северным магнитными полюсами. Высказывается предположение о существовании раздельных монополей, однако они пока не обнаружены. Поскольку клеточное содержимое является водной фазой, представляют интерес также и свойства магнитных жидкостей. Эти последние во многих отношениях уникальны. Примером может служить взвесь частиц тонко измельченного магнетита в керосине. В ферромагнитной жидкости, помещенной в магнитное поле, возникают механические силы в результате действия поля на дипольные моменты твердых коллоидных частиц.

Под действием однородного горизонтального магнитного поля в магнитной жидкости образуются сложные извилистые структуры с тончайшим рисунком, напоминающим лабиринт. В таких жидкостях наблюдается также особый вид устойчивого равновесия взвеси.

Явление магнетизма в твердой и жидкой средах приобретает особую значимость при рассмотрении эволюции организмов ■в связи с обнаружением частиц магнетита в клетках прокариот и высших эукариот.

Реакция бактерий на магнитное поле Земли

О влиянии магнитного поля Земли на живые организмы четко свидетельствуют многие эксперименты. Реакция перемещения бактерий в магнитном поле называется магнитотаксисом.

Бактерии из морских отложений быстро мигрируют в локальном геомагнитном поле. Если передвигать небольшие магниты вблизи бактерий, направление движения последних немедленно изменяется. Бактерии реагируют на слабые поля порядка 0,5 Гс. Путем изменения конфигурации магнитных полей было показано, что движение бактерий, осуществляемое с помощью жгутиков, направляется магнитным полем Земли.

Магнитотаксис проявляют и бактерии другой группы, присутствующие в пресноводных донных осадках. Их клетки содержат кристаллы железа размером 100X150 нм, в среднем по 22 кристалла в одной клетке; весовое содержание железа в их сухом веществе составляет 1,5%. По данным мёс-сбауэровской спектроскопии, внутриклеточное железо представляет собой магнетит.

Тело насекомых обладает остаточным магнетизмом.

Влияние магнитного поля на пчел проявляется в виде различных эффектов.

1. Если пчелиный рой лишен возможности ориентироваться, пчелы строят соты, соблюдая то же направление относительно внешнего геомагнитного поля, что и в родительском улье.

2. Если лишить пчел информации о ходе времени, они, по-видимому, устанавливают свои биологические часы по периодическим суточным изменениям магнитного поля Земли.