ביו חשמל

ביו חשמל (bio electricity) הוא זרם חשמלי הנוצר בתוך אורגניזמים חיים, במגוון רחב של תהליכים ביוכימיים. בגוף האדם מסרים עצביים של חלקי הגוף השונים אל המוח עוברים בעזרת זרמים החשמליים. מסרים אלה חיוניים לקיום האורגניזם ולפעולת האיברים בצורה מתואמת.

 האבולוציה של הביו חשמל 
הקרום הדו-שכבתי ליפידי של התא מתאפין באי-הרציפות הפנימית והחיצונית של פני התא, התא, היא ליבת הביו-אלקטריות. הקרום הציטופלסמתי של התא הוא המקור לאבולוציה של עצם החיים. קרום התא מאפשר את תהליך חלוקת התאים ומאפשר מפל מתח/פוטנציאל דיפרנציאלי של מתח חשמלי על פני קרום התא, האפשר ביו-אנרגטיקה מוקדמת ובסיסית המניעה את מנגנוני תא. במהלך האבולוציה, הדיפוזיה הפסיבית של יונים נושאי מטען חשמלי, התפתחה בהדרגה לתעלות יונים, משאבות יונים, מחליפי יונים ומובילים. טרנסלוקטורים אלה, החופשיים אנרגטית שימשו כנגדים או מוליכים, בהובלה פסיבית או יקרים, קובעים ומכווננים למפלים של מתח. הם מצויים בכל מקום וחיוניים לפיזיולוגיה של החיים, החל מביו-אנרגטיקה, תנועה, חישה, הובלת חומרים מזינים לתאים, פינוי רעלים מן התאים ואיתות במצבים הומאוסטטיים מחלות ופציעות. עם גירויים או שבירת מחסום (קצר חשמלי) של הממברנה, יונים המופעלים על ידי מפלה מתח (כוח אלקטרו-מניע) מתפזרים או דולפים, בהתאמה, דרך הציטופלזמה והונוזלי החוץ תאי המשמשים כמוליכים חשמליים, ומייצרים זרמים חשמליים מדידים ושדות חשמליים. יונים מסוימים, כגון סידן, מולקולות מסוימות כגון מי חמצן, מווסתים טרנסלוקטורים ממוקדים כדי לייצר זרם או כדי לשפר, למתן או אפילו להפוך זרם התחלתי, בהיותם מעבירים. אלקטרונים.

ביו-חשמל התפתחותי  הוא תת-תחום של ביולוגיה המתייחסת לשטפי יונים אנדוגניים, ומפלים של מתח חשמלי טרנסממברנלי וטרנסאפיתליאלי, זרמים ושדות חשמליים המופקים ומתקיימים בתאים ורקמות חיים. פעילות חשמלית זו משמשת לעיתים קרובות במהלך שלבים עובריים, התחדשות תאים ודיכוי תאים סרטניים. מדובר בשכבה בודדת של שדה חשמלי מורכב של אותות הפוגעים בכל התאים "החיים" ומווסתים את האינטראקציות שלהם במהלך היווצרות ותחזוקת דפוסים. בניגוד לביו-אלקטרופיזיולוגיה, המתייחסת לקפיצות מהירות וחולפות ב-נוירונים ותאי שריר. ומביו-אלקטרומגנטיקה, המתייחסת להשפעות של קרינה אלקטרומגנטית, ואלקטרומגנטיקה אנדוגנית כגון פליטת ביופוטונים ומגנטיט.

אותות ביו-חשמל אנדוגניים נוצרים בתאים על ידי פעולה מצטברת של תעלות יונים, משאבות וטרנספורטים. בתאים שאינם ניתנים לעוררות, פוטנציאל המנוחה על פני קרום הפלזמה של תאים בודדים מתפשט על פני מרחקים דרך סינפסות חשמליות המאפשרות לתאים לחלוק את פוטנציאל המנוחה שלהם עם תאים שכנים. תאים מסודרים כמו באפיתל, מייצרים פוטנציאלים טרנסאפיתליאליים, בדומה לסוללות המסודרות בטור ושדות חשמליים, אשר גם הם מתפשטים על פני רקמות. צמתים הדוקים ממתנים ביעילות את הדיפוזיה ודליפת היונים הפרה-תאיים, ומונעים את קצר המתח. מתחים ושדות חשמליים אלה יוצרים דפוסים עשירים ודינמיים בתוך גופים חיים בעלי מאפיינים אנטומיים, ובכך פועלים כתוכניות אב לביטוי גנים ומורפוגנזה. התפלגויות ביו-חשמליות אלה הן דינמיות, מתפתחות עם הזמן ועם המיקרו-סביבה ואפילו יוצרים תנאים למרחקים ארוכים על מנת להשפיע על התנהגות התא ועל דפוסים בקנה מידה גדול במהלך השלב העוברי, התחדשות תאים ודיכוי תאי סרטןן. מנגנוני בקרה ביו חשמליים הם יעד חשוב ומתפתח להתקדמות ברפואה רגנרטיבית, מומים מולדים, סרטן והנדסה ביו חשמלית סינתטית.Pullar, C. E. The physiology of bioelectricity in development, tissue regeneration, and cancer., (CRC Press, 1996).

 תחילת המאה ה-20 
הפיתוח של ביו-חשמל החלה ברצינות בתחילת המאה ה-20. בתחילת המאה נחקר תפקיד החשמל בהתפתחות ביצים, האלקטרופיזיולוגיה של תולעת האדמה. ונחקר את השפעות החשמל על התחדשות גפיים בדו-חיים. בהמשך, נעשה מחקר בנושא השפעת ביו-חשמל על מורפוגנזה בצמחים פורחים, ובבעלי חיים בעלי-חוליות וחסרי-חוליות.

 סוף המאה ה-20 
בשנות ה-70,פותחה הגשושית הרוטטת, המכשיר הראשון לאפיון כמותי ולא פולשני של זרמי יונים זעירים חוץ-תאיים.

חוקרים כמו ג'וזף ואנאבל, ריצ'רד בורגנס, קן רובינסון וקולין מק'קייג חקרו את תפקידי האיתות הביו-אלקטרי האנדוגני בהתפתחות וריפוי גפיים, יצירת עובר, קוטביות איברים וריפוי פצעים.

פורסמו מחקרים בנושא תפקיד פוטנציאל המנוחה בוויסות התמיינות וריבוי תאים. עבודות מאוחרות יותר זיהו אזורים ספציפיים בספקטרום פוטנציאל המנוחה התואמים למצבי תא שונים כגון רגיעה, תאי גזע, סרטן ותא שהתמיין באופן סופני.

אף על פי שגוף עבודה זה יצר כמות משמעותית של נתונים פיזיולוגיים באיכות גבוהה, גישה ביופיזיקלית בקנה מידה גדול זו הגיעה מבחינה היסטורית למקום השני, אחרי חקר גרדיאנטים ביוכימיים ורשתות גנטיות, בחינוך לביולוגיה, במימון ובפופולריות הכללית בקרב ביולוגים. גורם מפתח שתרם לפיגור תחום זה אחרי גנטיקה מולקולרית וביוכימיה הוא שביו-חשמל הוא מטבעו תופעה חיה שלא ניתן לחקור אותה בדגימות קבועות. עבודה עם ביו-חשמל מורכבת יותר מגישות מסורתיות בביולוגיה התפתחותית, הן מבחינה מתודולוגית והן מבחינה מושגית, שכן היא דורשת בדרך כלל גישה בין-תחומית נרחבת ביותר.

 פלוּאוֹרסצֵנצִיָה 
ההתקדמות בביולוגיה המולקולרית בששת העשורים האחרונים יצרה כלים רבי עוצמה המאפשרים ניתוח אותות ביוכימיים וגנטיים. עם זאת, הם נוטים לא להתאים  למחקרים ביו-חשמליים  "in vivo". עבודות קודמות הסתמכו במידה רבה על זרם המופעל ישירות על ידי אלקטרודות, שזכו לחיזוק מהתקדמות משמעותית אחרונה במדעי החומרים  ומדידות זרם חוץ-תאי, המאפשרות שימוש במערכות אלקטרודות מתוחכמות בעלות התייחסות עצמית. בעוד שיישומי אלקטרודות למניפולציה של תהליכים בגוף הנשלטים על ידי עצב משכו תשומת לב רבה, ישנן הזדמנויות נוספות לשליטה בתהליכים סומטיים, שכן רוב סוגי התאים פעילים חשמלית ומגיבים לאיתות יוני

 בדיקות פרמקולוגיות לזיהוי תעלות ומשאבות אנדוגניות האחראיות לאירועים ספציפיים.
 צבעים פלואורסצנטיים רגישים למתח ומדדי מתח פלואורסצנטיים מקודדים גנטית לאפיון המצב הביואלקטרי-חשמלי in vivo.
 פאנלים של תעלות יונים דומיננטיות מאופיינות היטב, ומסוגלות להתבטא באופן שגוי בתאים מעניינים על מנת לשנות את המצב הביו-חשמלי בדרכים רצויות.
 פלטפורמות חישוביות שעולות לאוויר כדי לסייע בבניית מודלים ניבויים של דינמיקה ביו-חשמלית ברקמות.

בהשוואה לטכניקות המבוססות על אלקטרודות, הגשושים המולקולריים מספקים רזולוציה מרחבית רחבה יותר ומקלים על ניתוח דינמי לאורך זמן. אף על פי שכיול או טיטרציה יכולים להיות אפשריים, גשושים מולקולריים הם בדרך כלל כמותיים למחצה, בעוד שאלקטרודות מספקות ערכים ביו-חשמליים מוחלטים. יתרון נוסף של פלואורסצנציה וגשושים אחרים הוא אופיים הפחות פולשני והסידור המרחבי שלהם, המאפשר ניטור בו זמני, סימולטני של שטחים גדולים של רקמות עובריות או אחרות "in vivo" במהלך תהליכים ביולוגיים תקינים או פתולוגיים.

 שימושי חשמל בטבע 

 חשמל בטבע 
חיות רבות משתמשות בביו-חשמל לתקיפה ולהגנה: לדוגמה, שפמנון חשמלי, הצלופח חשמלי וחשמלנאים. הזרם החשמלי אשר בו משתמשות חיות יכול להגיע למתחים של כמה מאות מיליוואט. בצלופח החשמלי לדוגמה, הזרם הוא אמפר אחד ויכול להגיע עד 1,000 וולט.

 ביופלואורסצנציה 
ממוזער|דגי מעמקים השייכים לסוג Eviotta בעלי ביופלואסצנטיות אדומה, בחלקים שונים של גופם, בעיקר עיניים, עור, שולי הגוף
דגים במים עמוקים, מסוגלים להפיק צבעים פלורורסצנטים בתהליכים ביוכימיים שונים ומתשתמשים בתאורה הפלואורסצנטית לצרכים שונים, כגון, משיכת טרף, משיכת בני זוג לצורכי התרבות והסוואה

גם צמחים משתמשים בביו חשמל על ידי תהליכי הפוטוסינתזה. צמחים כגון טחב, אצות וחיידקים, כמו הכחוליות, מייצרים חשמל מאור השמש. צמחים לקיומם.

 ביו חשמל בשימוש האדם 
קיימים מיזמים אשר חוקרים, לומדים ומיישמים את הנושא. מיזמים אלו משתמשים בחשמל המיוצר על ידי חיות ובתהליך הפוטוסינתזה בצמחים, כדי להאיר כבישים ומנורות, לרפא פצעים ולשמש כמקור לחשמל "ירוק" יותר המכונה .

 ריפוי פצעים והכוונה תאית 
אחד התפקידים המובנים ביותר של מפלים ביו-חשמליים הוא בשדות החשמליים האנדוגניים ברקמה, המשמשים במהלך ריפוי פצעים. מאתגר לחקור שדות חשמליים הקשורים לפצעים, מכיוון ששדות אלה חלשים, בעלי שינוים קטנים  וחסרי תגובות ביולוגיות מיידיות בהשוואה לפולסים עצביים המעורבים בהתכווצות שרירים. פיתוח המיקרו-אלקטרודות הרוטטות והזכוכית הוכיח שפצעים אכן ייצרו, וקיימו זרמים חשמליים ושדות חשמליים מדידים.   טכניקות אלו מאפשרות אפיון נוסף של שדות/זרמים חשמליים של פצעי קרנית ובעור, אשר מראים מאפיינים מרחביים וזמניים פעילים, דבר המצביע על ויסות פעיל של תופעות חשמליות אלו. לדוגמה, הזרמים החשמליים של הפצע הם תמיד החזקים ביותר בקצה הפצע, המגיעים בהדרגה והגיעו לשיאם כשעה לאחר הפציעה. בפצעים בבעלי חיים סוכרתיים, השדות החשמליים של הפצע נפגעים באופן משמעותי.  הבנת מנגנוני היצירה והוויסות של זרמים/שדות חשמליים בפצע צפויה לחשוף גישות חדשות למניפולציה של ההיבט החשמלי לריפוי טוב יותר של הפצע.  קימת הסוגיה, כיצד נוצרים שדות חשמליים בפצע. האפיתל שואב באופן פעיל ומפריד יונים באופן דיפרנציאלי. באפיתל הקרנית, לדוגמה, יונים של נתרן  +Na ואשלגן +K  מועברים פנימה מנוזל הדמעות לנוזל החוץ-תאי, ויוני Cl− מועברים מהנוזל החוץ-תאי אל נוזל הדמעות. תאי האפיתל מחוברים באמצעות צמתים הדוקים, ויוצרים את מחסום ההתנגדות החשמלי העיקרי, וכך יוצרים מפל חשמלי על פני האפיתל, הוא הפוטנציאל הטרנסאפיתליאלי (TEP). Maurice, D. M. The permeability to sodium ions of the living rabbit's cornea. J Physiol 112, 367-391. Pubmed Central reference number: PMC1393020 Klyce, S. D. Electrical profiles in the corneal epithelium. J Physiol 226, 407-429. Pubmed Central reference number: PMC1331188 שבירת מחסום האפיתל, כפי שקורה בכל פצע, יוצרת חור שפורץ את ההתנגדות החשמלית הגבוהה שנוצרת על ידי הצמתים ההדוקים ביריעת האפיתל, וגורם לקצר חשמלי מקומי של האפיתל. לכן, הפוטנציאל הטרנסאפיתליאלי יורד לאפס בפצע. עם זאת, הובלת יונים רגילה ממשיכה בתאי אפיתל לא פצועים מעבר לקצה הפצע (בדרך כלל במרחק של <1 מ"מ משם),  אשר מניע זרימת מטען חיובי אל מחוץ לפצע ויוצר שדה חשמלי (EF) יציב, בעל אוריינטציה צידית, עם הקטודה בפצע. העור מייצר אף הוא TEP, וכאשר נוצר פצע עורי, נוצרים זרמים ושדות חשמליים דומים לפצע בקרנית, עד שתפקוד מחסום האפיתל מתאושש כדי לסיים את הקצר בפצע. כאשר שדות חשמליים של הפצע מטופלים באמצעות חומרים פרמקולוגיים המגרים או מעכבים הובלת יונים, גם השדות החשמליים של הפצע עולים או יורדים, בהתאמה. ריפוי הפצע יכול להיות מואץ או מואט בהתאם בפצעי קרנית ועור. 

כדי לרפא פצעים, תאים המקיפים את הפצע חייבים לנדוד ולגדול אל תוך הפצע כדי לכסות את הפגם ולשקם את המחסום. תאים החשובים לריפוי פצעים מגיבים בצורה יוצאת דופן לשדות חשמליים המופעלים באותה עוצמה הנמדדים בפצעים. כל קשת סוגי התאים ותגובותיהם לאחר פציעה מושפעות משדות חשמליים פיזיולוגיים. אלה כוללים נדידה וחלוקה של תאי אפיתל, נביטה והארכה של עצבים, ונדידה של לויקוציטים ותאי אנדותל. ההתנהגות התאית הנחקרת ביותר היא נדידה כיוונית של תאי אפיתל בשדות חשמליים הקרויה אלקטרוטקסיס . תאי האפיתל נודדים בכיוון הקוטב השלילי (הקתודה), שבפצע הוא קוטביות השדה של השדות החשמליים הווקטוריים האנדוגניים באפיתל, ומצביעים (מחיובי לשלילי) למרכז הפצע. תאי אפיתל של הקרנית, קרטינוציטים מהעור, וסוגים רבים אחרים של תאים מראים נדידה כיוונית בעוצמות שדה חשמלי נמוכות של כמה מיליוולט מ"מ −1 . יריעות גדולות של תאי אפיתל חד-שכבתיים, ויריעות של תאי אפיתל רב-שכבתיים מרובדים, גם הן נודדות בצורה כיוונית. תנועה קולקטיבית כזו דומה מאוד למה שקורה במהלך ריפוי פצעים in vivo, כאשר יריעות תאים נעות יחד לתוך מצע הפצע כדי לכסות את הפצע ולשקם את תפקוד המחסום של העור או הקרנית. מחקרים אחרונים החלו לזהות כמה אלמנטים גנטיים, איתותים ומבניים העומדים בבסיס האופן שבו תאים חשים ומגיבים לשדות חשמליים פיזיולוגיים קטנים. אלה כוללים תעלות יונים, מסלולי איתות תוך-תאיים, רפסודות שומנים בממברנה ואלקטרופורזה של רכיבי קרום התא.

קישורים חיצוניים

הערות שוליים

קטגוריה:ערכים שבהם תבנית בריטניקה אינה מתאימה
קטגוריה:ביופיזיקה
קטגוריה:חשמל
קטגוריה:פיזיולוגיה
קטגוריה:אלקטרוניקה
קטגוריה:בעלי חיים
קטגוריה:צמחים