Της Νεφέλης Στούπα,
Ποιο είναι το πρώτο πράγμα που σου έρχεται στο μυαλό όταν ακούς τη λέξη ηλεκτρισμός; Η έννοια του ηλεκτρισμού είναι άρρηκτα συνδεδεμένη με όλες αυτές τις συσκευές που χρησιμοποιούμε καθημερινά, με διάφορα περίπλοκα κυκλώματα καλωδίων, όπως και με σύγχρονα τεχνολογικά επιτεύγματα. Βέβαια, ο ίδιος ο οργανισμός μας και διάφορες λειτουργίες του, σχετίζονται με τη δημιουργία και τη μετάδοση ηλεκτρικών μηνυμάτων, φαινόμενο που οι περισσότεροι από εμάς τείνουν να μη συνειδητοποιούν.
Ο τρόπος που κινούμαστε, αναπνέουμε, αλληλοεπιδρούμε με το περιβάλλον και γενικότερα ανταποκρινόμαστε στα ερεθίσματα που δεχόμαστε, σχετίζεται κατά κάποιο τρόπο με τον ηλεκτρισμό. Ειδικότερα, ο κλάδος του ηλεκτρισμού που αναφέρεται στον ηλεκτρισμό που εντοπίζεται στους ζωντανούς οργανισμούς ονομάζεται βιοηλεκτρισμός. Χαρακτηριστικό παράδειγμα βιοηλεκτρισμού αποτελεί η συστολή των μυών, καθώς οι δυνάμεις των μυών προκαλούνται από την έλξη αντίθετα φορτισμένων ηλεκτρικών φορτίων. Ταυτόχρονα, η δραστηριότητα του εγκεφάλου είναι κυρίως ηλεκτρική, αφού όλα τα νευρικά σήματα προς και από τον εγκέφαλο σχετίζονται με τη ροή ηλεκτρικού ρεύματος.
Αρχικά, για να συνειδητοποιήσουμε πώς είναι δυνατή η δημιουργία ηλεκτρισμού στους ζωντανούς οργανισμούς, είναι απαραίτητο να κατανοήσουμε τη δομή και τη λειτουργία της κυτταροπλασματικής μεμβράνης. Η κυτταροπλασματική μεμβράνη είναι μια ρευστή λιπιδική διπλοστιβάδα με ενσωματωμενες πρωτεΐνες που σχηματίζει το εξωτερικό περίβλημα του κάθε κυττάρου, ενώ παράλληλα υποβοηθά τη διατήρηση της σύστασης του ενδοκυτταρικού περιεχομένου του, καθώς επιτρέπει την επιλεκτική ανταλλαγή ουσιών με το εξωκυτταρικό περιβάλλον.
Παράλληλα, η κυτταροπλασματική μεμβράνη ελέγχει την είσοδο θρεπτικών συστατικών, την απελευθέρωση εκκριτικών προϊόντων και την αποβολή των παραπροϊόντων του μεταβολισμού. Επιπρόσθετα, διατηρεί τις διαφορές στη συγκέντρωση ιόντων μεταξύ του εσωτερικού του κυττάρου και του εξωτερικού του περιβάλλοντος, οι οποίες είναι σημαντικές για την ηλεκτρική δραστηριότητα της μεμβράνης. Η μετακίνηση ιόντων, μέσω της μεμβράνης, γίνεται με τη βοήθεια διαύλων (πρωτεϊνικές δομές που επιτρέπουν την διέλευση ιόντων) ή πρωτεϊνικών φορέων.
Λόγω αυτής της διαβάθμισης ιόντων, που παρατηρείται μεταξύ του εσωτερικού και του εξωτερικού της κυτταρικής μεμβράνης, οι κυτταροπλασματικές μεμβράνες όλων των ζωντανών κυττάρων εμφανίζουν ένα δυναμικό μεμβράνης, δηλαδή είναι ηλεκτρικά πολωμένες (το εσωτερικό της μεμβράνης είναι πιο αρνητικά φορτισμένο από το εξωτερικό). Ο όρος δυναμικό μεμβράνης αναφέρεται στον διαχωρισμό των αντίθετων φορτίων εκατέρωθεν της μεμβράνης.Όλα τα κύτταρα έχουν δυναμικό μεμβράνης.
Ωστόσο, τα κύτταρα των διεγέρσιμων ιστών, οι οποίοι είναι ο μυϊκός και ο νευρικός, έχουν επιπλέον την ιδιότητα να παράγουν ταχύτατες, παροδικές αλλαγές στο δυναμικό της μεμβράνης τους. Αυτές οι σύντομες, παροδικές αλλαγές λειτουργούν ως ηλεκτρικά σήματα.
Αναλυτικότερα, το σταθερό δυναμικό της μεμβράνης που είναι σε ηρεμία – δηλαδή που δεν παράγει ηλεκτρικά σήματα – αναφέρεται ως δυναμικό ηρεμίας της μεμβράνης. Δύο τύποι κυττάρων, οι νευρώνες (νευρικά κύτταρα) και τα μυϊκά, έπειτα από κατάλληλο ερεθισμό που οδηγεί στην διατάραξη του δυναμικού ηρεμίας, έχουν την ικανότητα να παράγουν ηλεκτρικά σήματα. Αυτά τα ηλεκτρικά σήματα παράγονται από μεταβολές που πραγματοποιούνται στη διακίνηση ιόντων στην κυτταρική μεμβράνη.
Τα ιόντα μετακινούνται με την βοήθεια ειδικών διαύλων, δηλαδή πρωτεϊνών που βρίσκονται στη λιπιδική στιβάδα, καθώς παρότι το εξωκυτταρικό και το ενδοκυτταρικό υγρό αποτελούν καλούς αγωγούς του ηλεκτρισμού (επιτρέπουν τη ροή ιόντων), η λιπιδική στιβάδα αποτελεί μονωτή του ηλεκτρικού ρεύματος (εμποδίζει την ροή ιόντων).
Σε αντίθεση με τα δυναμικά ηρεμίας, τα δυναμικά ενέργειας είναι οι ταχείες, παροδικές, μεγάλου εύρους μεταβολές του δυναμικού της μεμβράνης, τα οποία άγονται σε ολόκληρη την κυτταρική μεμβράνη αμετάβλητα και οφείλονται σε μετακίνηση ιόντων μέσω διαύλων. Η δημιουργία δυναμικών ενέργειας, δηλαδή ηλεκτρικών σημάτων στις μεμβράνες των νευρικών και των μυϊκών κυττάρων, είναι η γενεσιουργός αιτία πραγματοποίησης των λειτουργιών του νευρικού και του μυϊκού συστήματος.
Για παράδειγμα, αν θέλουμε να κινήσουμε το μεγάλο δάκτυλο του ποδιού μας δίνονται εντολές που άγονται κατά μήκος της σπονδυλικής στήλης, ώστε να δημιουργηθεί ένα δυναμικό ενέργειας στον νευρώνα που νευρώνει τους μύες του ποδιού (ο οποίος εντοπίζεται στον νωτιαίο μυελό). Το δυναμικό ενέργειας ταξιδεύει κατά μήκος του νευρώνα ο οποίος εκτείνεται σε όλο το μήκος του ποδιού και τερματίζει στους μύες του μεγάλου δακτύλου. Το ηλεκτρικό σήμα δεν εξασθενεί, ούτε σβήνει κατά τη μετάδοση αυτή, αλλά διατηρεί το ίδιο εύρος από την αρχή μέχρι το τέλος!
Επομένως, οι νευρώνες χρησιμοποιούν ηλεκτρικά σήματα (δυναμικά ενέργειας) για την υποδοχή, την επεξεργασία, τη δημιουργία και τη διαβίβαση μηνυμάτων. Στα μυϊκά κύτταρα, τα ηλεκτρικά σήματα σηματοδοτούν την σύσπαση των μυών. Ειδικότερα, όσον αφορά τον καρδιακό μυ η σύσπαση των καρδιακών μυών η οποία ευθύνεται για την εξώθηση του αίματος από τις κοιλότητες της καρδιάς πυροδοτείται από δυναμικά ενέργειας-ηλεκτρικά σήματα που αναπτύσσονται στις μεμβράνες τους. Η καρδιά συστέλλεται (ή χτυπάει) ρυθμικά λόγω της ενδογενούς ικανότητάς της να παράγει περιοδικά δυναμικά ενέργειας. (Η ικανότητά της αυτή είναι γνωστή ως αυτορρυθμία).
Τέλος, ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει ο τρόπος με τον οποίο ανακαλύφθηκε ο ηλεκτρισμός που δημιουργείται στους ζωντανούς οργανισμούς. Η πρώτη παρατήρηση που φαίνεται να συνδέει τον μυϊκό ιστό με φαινόμενα ηλεκτρισμού προήλθε από πείραμα του Luigi Galvani (1737-1798), ο οποίος ήταν Ιταλός ανατόμος. Ο Galvani εκτέλεσε ένα πείραμα με νεκρούς βατράχους και είδε ότι, όταν έφερνε σε επαφή τα νεύρα των μηρών με δύο διαφορετικά μέταλλα (π.χ. σίδηρο και χαλκό), ο μυς έκανε μία σύσπαση. Διερευνώντας το φαινόμενο, κατέληξε στο συμπέρασμα πως κάποιου είδους ηλεκτρισμός έλαβε χώρα στο μυϊκό σύστημα, αποδίδοντάς του τον χαρακτηρισμό «ζωικός ηλεκτρισμός». Μάλιστα, δεν ήταν λίγοι αυτοί που πίστεψαν πως είχε βρεθεί η λύση στην επαναφορά νεκρών οργανισμών στη ζωή!
Στην πραγματικότητα, ο μυς ερεθίστηκε από το ασθενές ηλεκτρικό ρεύμα που παρήχθη τυχαία από την «μπαταρία» που ουσιαστικά δημιουργήθηκε από τα δύο μέταλλα (μεταλλικά ηλεκτρόδια) και το υγρό του σώματος που λειτούργησε ως ηλεκτρολύτης. Πολλές απόπειρες επαναφοράς νεκρών οργανισμών στη ζωή έγιναν από αρκετούς επιστήμονες με τη μέθοδο του ηλεκτρισμού. Τα πειράματα αυτά ενέπνευσαν τη συγγραφέα Μαίρη Σέλλεϋ να γράψει το βιβλίο της «Φρανκενστάιν».
Επίσης, αξιοσημείωτο είναι το γεγονός πώς ο Alessandro Volta μελέτησε τα πειραματικά δεδομένα που προέκυψαν από το πείραμα του Galvani και στη συνέχεια οδηγήθηκε σε μια από τις σπουδαιότερες ανακαλύψεις στην ιστορία: την εφεύρεση της μπαταρίας. Με λίγα λόγια, το πείραμα στο οποίο γινόταν η ανίχνευση ηλεκτρισμού σε ζωντανό οργανισμό αποτέλεσε την πηγή έμπνευσης για την ανακάλυψη της μπαταρίας!
ΕΝΔΕΙΚΤΙΚΕΣ ΠΗΓΕΣ
- Παπαϊωάνου, Μ., 2016. Μελέτη των τρόπων επικοινωνίας των ανθρώπινων κυττάρων. Διπλωματική Εργασία (Online). Πάτρα: Πανεπιστήμιο Πατρών. Διαθέσιμο εδώ
- Λουίζη, Α., 2009. Επιδράσεις του ηλεκτρισμού στο ανθρώπινο σώμα. Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών. Διαθέσιμο εδώ
- Sherwood, L., 2016. Εισαγωγή στη Φυσιολογία του Ανθρώπου: Από τα κύτταρα στα συστήματα. Αλεξανδρούπολη: Ακαδημαϊκές Εκδόσεις Ι. Μπάσδρα και ΣΙΑ Ο.Ε.
- Geoffry M. Cooper., 2021. Το Κύτταρο: Μια μοριακή Προσέγγιση. Αλεξανδρούπολη: Ακαδημαϊκές Εκδόσεις Ι. Μπάσδρα και ΣΙΑ Ο.Ε.
- Ιστορία της Μπαταρίας, amperorio.gr. Διαθέσιμο εδώ
- Κατσικίνη, Μ., Βιοηλεκτρισμός. Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης. Διαθέσιμο εδώ
