قد تعمل أغشية الخلايا مثل مولدات الطاقة الصغيرة

قد تولد الخلايا الحية الكهرباء من خلال الحركة الطبيعية لأغشيتها. يمكن أن تلعب هذه الإشارات الكهربائية السريعة دورًا في كيفية تواصل الخلايا واستشعار محيطها.

اقترح العلماء تفسيرًا نظريًا جديدًا لكيفية قيام الخلايا الحية بتوليد إشارات كهربائية من تلقاء نفسها. تتمحور الفكرة حول غشاء الخلية، وهو الطبقة الرقيقة المرنة التي تحيط بكل خلية وتفصل داخلها عن البيئة الخارجية. وبدلا من أن يكون هذا الغشاء ساكنا، فإنه يتحرك باستمرار بسبب النشاط الذي يحدث داخل الخلية. يوضح الإطار الجديد أن هذه الحركات الصغيرة على المستوى الجزيئي يمكن أن تؤدي إلى تأثيرات كهربائية حقيقية.

قاد هذا العمل براديب شارما وزملاؤه، الذين طوروا نموذجًا رياضيًا لربط النشاط البيولوجي بالمبادئ الفيزيائية الأساسية. كان هدفهم هو فهم كيف يمكن أن تترجم العمليات الخلوية الطبيعية إلى سلوك كهربائي دون الحاجة إلى هياكل متخصصة مثل الأعصاب أو الأقطاب الكهربائية.

الحركة الجزيئية تحرك تقلبات الغشاء

داخل الخلايا الحية، تجري دائمًا عمليات لا حصر لها. يتغير شكل البروتينات أثناء قيامها بوظائفها، وتطلق التفاعلات الكيميائية الطاقة التي تبقي الخلية على قيد الحياة. إحدى العمليات الرئيسية هي التحلل المائي ATP، وهي الطريقة التي تقوم بها الخلايا بتفكيك أدينوسين ثلاثي الفوسفات لتشغيل العمل البيولوجي. تمارس هذه الأنشطة قوى على غشاء الخلية، مما يؤدي إلى ثنيها وتموجها وتقلبها.

وفقًا للنموذج، فإن هذه التغييرات المستمرة في الشكل ليست ميكانيكية فقط. عندما ينحني الغشاء، فإنه يمكن أن يولد استجابة كهربائية من خلال تأثير فيزيائي يعرف باسم الكهرباء المرنة. يحدث هذا التأثير عندما يؤدي تشوه المادة إلى خلق شحنة كهربائية، مما يربط الحركة مباشرة بالجهد.

مستويات الجهد مماثلة لإشارات الخلايا العصبية

ووجد الباحثون أن الاختلافات الكهربائية المنتجة عبر الغشاء، والمعروفة باسم الفولتية عبر الغشاء، يمكن أن تكون قوية بشكل مدهش. وفي بعض الحالات قد يصل الجهد إلى 90 مللي فولت. وهذا مشابه في الحجم لتغيرات الجهد التي تحدث عندما ترسل الخلايا العصبية إشارات في الدماغ.

توقيت هذه التغييرات ملفت للنظر أيضًا. يمكن أن تحدث تقلبات الجهد على مدار أجزاء من الثانية، وهو ما يتطابق بشكل وثيق مع سرعة وشكل منحنيات جهد الفعل النموذجية التي تظهر في الخلايا العصبية. يشير هذا إلى أن نفس الفيزياء الأساسية يمكن أن تساعد في تفسير كيفية عمل الإشارات الكهربائية في الأنظمة البيولوجية.

حركة الأيونات عكس اتجاهها الطبيعي

وبعيدًا عن توليد الجهد الكهربي، يتنبأ الإطار بتأثير مهم آخر. يمكن للإشارات الكهربائية الناتجة عن حركة الغشاء أن تحرك الأيونات بشكل فعال. الأيونات هي جسيمات مشحونة تلعب دورًا مركزيًا في إشارات الخلايا والحفاظ على التوازن داخل الخلايا. عادة، تتحرك الأيونات على طول التدرجات الكهروكيميائية، وتتدفق من المناطق ذات التركيز الأعلى إلى التركيز الأقل.

يشير النموذج إلى أن تقلبات الغشاء النشط يمكن أن تدفع الأيونات في الاتجاه المعاكس، مما يعمل بشكل فعال ضد هذه التدرجات. يوضح الباحثون أن هذا السلوك يعتمد على الخصائص المرنة للغشاء، والتي تصف مدى سهولة ثنيه، وخصائصه العازلة، التي تصف كيفية استجابته للمجالات الكهربائية. تحدد هذه الميزات معًا اتجاه وقطبية النقل الأيوني.

من الخلايا الفردية إلى الأنسجة والمواد

وبالنظر إلى المستقبل، يقترح المؤلفون توسيع هذا الإطار إلى ما هو أبعد من الخلايا المفردة. ومن خلال تطبيق نفس المبادئ على مجموعات من الخلايا، يمكن للعلماء استكشاف كيف يؤدي نشاط الغشاء المنسق إلى السلوك الكهربائي الجماعي على مستوى الأنسجة.

ويرى الباحثون أن هذه الآلية توفر أساسًا ماديًا لفهم الإدراك الحسي، وإطلاق الخلايا العصبية، وجمع الطاقة في الخلايا الحية. وقد يساعد أيضًا في سد الفجوة بين العلوم البيولوجية والهندسة من خلال إلهام مواد مستوحاة من الحيوية وذكية جسديًا تحاكي السلوك الكهربائي للأنظمة الحية.

المرجع: “الكهرباء المرنة وتقلبات الخلايا الحية (النشطة): الآثار المترتبة على حصاد الطاقة، ونقل الأيونات، ونشاط الخلايا العصبية” بقلم براتيك خانداجال، وليبينج ليو، وبراديب شارما، 16 ديسمبر 2025، رابطة PNAS.
دوى: 10.1093/pnasnexus/pgaf362

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.