Search
Close this search box.

Mobilność struktur biologicznych w polu elektromagnetycznym

Magnetotaksja jest właściwością organizmu do wykonywania ruchu w kierunku narzuconym przez pole magnetyczne. Najczęściej spotyka się bakterie magnetotaktyczne i ich wykorzystanie w praktyce okazuje się być dość istotne. Zjawisko to zostało odkryte we wczesnych latach 70. XX w. przez biologa Richarda Blakemora z uniwersytetu w Massachusetts oraz Richarda Frankela z MIT. Uczeni spostrzegli, że pewnego rodzaju bakterie (marine marsh) poruszają się w polu magnetostatyczny.  Odkryli oni, że bakterie skupiają się w jednym miejscu w kropli wody i skupienie to ma kierunek ziemskiej północy magnetycznej. Bakterie te zostały nazwane magnetotaktycznymi, a fenomen przemieszczania się organizmów wymuszonym geometrią pola magnetycznego nazwano magnetotaksją (gr.  taxidi – podróż). Zjawisko to jest wykorzystywane m.in. do detekcji bakterii w badanym środowisku. 

Okazuje się, iż osobniki o wyższym poziomie organizacji oddziałują z polem geomagnetycznym Ziemi, a dotyczy to glonów jedno- i wielokomórkowych, pierwotniaków, płazińców, mięczaków oraz kręgowców. Z kolei czułość magnetyczną u gołębi odkrył Charles Wacott z uniwersytetu stanowego w Stonybrook w USA, a w przypadku ptaków wędrownych zdolność tę zbadał Wolfgang Wiltscko z uniwersytetu we Frankfurcie nad Menem. Inni badacze niemieccy zajęli się tym zagadnieniem w odniesieniu do tańca pszczół.

Przyczyny takich zależności stanowiły dużą zagadkę dla uczonych. Dopiero odkrycie dokonane przez Josepha Kirschvinka z laboratorium Jamesa Goulda na uniwersytecie w Princeton, a mianowicie wykrycie w organizmach biologicznych  obecności cząstek magnetytowych Fe3 O4, dało podstawy do wyjaśnienia zjawiska magnetotaksji. Magnetyty są cząsteczkami ferrimagnetycznymi, posiadającymi pojedyncze domeny magnetyczne z trwałym momentem magnetycznym, osiągającym w masie cząsteczek wartość 480×103 A/m [1].

Kilka lat temu powstała nowa hipoteza uzasadniająca magnetotaksję, a mianowicie wykorzystanie fotoreceptorów światła niebieskiego czyli kryptochromów.  Uważa się, że większość organizmów ziemskich posiada zdolność wyczuwania pola magnetycznego. Taka zdolność pozwala poruszać się w otaczającej przestrzeni. Zwierzęta posiadają tzw. magnetyczny kompas świetlny, pozwalający na orientowanie się w przestrzeni w widmie światła od ultrafioletu do światła zielonego. Przy większych długościach w widmie światła orientacja zostaje utracona.

Taki kompas wykorzystuje fotopigmenty, które tworzą pary rodników, a na te wpływ ma pole magnetostatyczne, w tym pole geomagnetyczne. Takie magnetoczułe fotopigmenty tworzą tablice, takie jak ptasia siatkówka, wskazujące wzrost czułości na światło w polu magnetostatycznym. Relacje pomiędzy fotopigmentami a czułością na światło jest jeszcze odległe od zamkniętego i całościowego wyjaśnienia, tym niemniej hipoteza kryptochromowa może wyprzeć hipotezę magnetytową Kirschvinka [2].

Inną ciekawą właściwością mechaniczną organizmów typu bakterie jest magneto- i elektrorotacja. Elektryczne pole wirujące wprawia w ruch bardzo małe organizmy i w ten sposób otrzymuje się tzw. silnik bakteryjny. Zjawisko to polega, najogólniej rzecz biorąc, na wirowaniu komórek lub bakterii na skutek przyłożonego pola elektrycznego. Może mieć ono trzy formy: pola statycznego, zmiennego (AC) i zmiennych wirujących.   Biolodzy uważają, iż wirowanie komórek może mieć istotne znaczenie w badaniach sub-komórkowych, w szczególności w wyznaczaniu parametrów materiałowych komórki.

W roku 1971 efekt elektrorotacji został nazwany 'cellular spin resonance’ (CSR) i od tej pory często występuje pod tą nazwą w literaturze. Efekt CSR, jak już wspomniano, służy głównie do identyfikacji cech komórki – oprócz parametrów materiałowych można również oceniać stan komórki –  żywa czy martwa – a także może mieć znaczenie w badaniu dynamiki silników bakteryjnych (molekularnych). Koncepcyjnie rzecz ujmując, wirowanie komórek ma wiele wspólnego z technologią mikrosilników elektrostatycznych. Wydaje się, że można będzie przenieść część metod badawczych z dziedziny mikrosilników elektrostatycznych do badań w dziedzinie elektrorotacji [3]. 

Mniej jasna jest sprawa z właściwościami elektrotaksyjnymi.  Biorąc jednak pod uwagę fakt, iż komórki biologiczne posiadają własne pole elektryczne, które miejscami osiąga ogromne wartości, nie powinny dziwić zachowania organizmów biologicznych. W obszarze mikroorganizmow występują na przykład tak zwane elektryczne ryby, z jednej strony produkujące pole elektryczne, a z drugiej strony znakomicie je wyczuwające. Konsekwencje takich zachowań mogą mieć bardzo utylitarny charakter –  służyć choćby do sterowania ruchem ryb.[4]

Ponad dwadzieścia lat temu rozpoczęto badania przemieszczania się czerwonych ciałek krwi eksponowanych na pole elektryczne. Zjawisko to jest nazywane elektroforezą. Ostatnie prezentowane wyniki badań wskazują na to, że pole elektryczne może istotnie wpływać na ruch czerwonych ciałek krwi. Zbadano wpływ pola elektrycznego na ruch komórek krwi i wywołane tym skutki biologiczne. Zaprojektowano elektrody generujące stałe pole elektryczne i stały gradient natężenia pola elektrycznego w jednym kierunku. Wyniki wykazują, że we krwi pełnej elektroforezę obserwowano w polu elektrostatycznym od natężenia pola 0,40 kV/m.

Te wartości są 103 – 105 razy większe niż podstawowe ograniczenia 0,02–0,8 V/m dla środowiska określone w wytycznych ICNIRP. Takie wielkości nie stwarzają nowych problemów w zakresie bezpieczeństwa ludzi. Niemniej jednak poziom, na którym występuje efekt, musi być zbadany, ponieważ pole elektryczne może być wzmocnione w pewnych układach geometrycznych. Oczywiście, przeprowadzone testy są badaniami in vitro, co obciąża je znaczącą niepewnością. Stąd następnym krokiem badawczym będą badania in vivo [5]. 

Dla dopełnienia powyższych rozważań, można jeszcze wspomnieć o tzw. efekcie mojżeszowym (the Moses effect), odkrytym przez japońskiego uczonego, prof.  Shoogo Ueno. Pokazał on, że w silnym polu magnetostatycznym do 8 T i o dużym gradiencie 50 T/m, woda rozstępuje się jak Morze Czerwone przed Mojżeszem i Izrealitami podczas ucieczki z Egiptu (stąd nazwa zjawiska) (rys.1). Odkrycie to zostało przedstawione w poważnych publikacjach i potwierdzone w innych badaniach [6].

Rys. 1 a) idea efektu Mojżesza, b) urządzenie wywołujące efekt (prof. S. Ueno)

Literatura

  • http://elektrofakty.pl/2021/12/17/pole-elektromagnetyczne-w-przyrodzie/
  • Muheim R, Edgar NM, Sloan KS, Phillips JB (2006): Magnetic compass orientation in C57BL/6J mice. Learn. Behav. 34: 366-373
  • Krawczyk A., Sikora R., Bioelectromagnetic phenomena in micro- and nanodrives, Prace Instytutu Elektrotechniki, 1999, No. 201, ss. 31-38
  • Kanemaki  M. et al., Analysis of Red Blood Cel lMovement in Whole Blood Exposed to DC and ELF Electric Fields
  • Wickelgren I., The Strange Senses of Other Species. IEEE Spectrum, March 1996,
  • Ueno S., Shigemitsu T.,  Bioelectromagnetism: History, Foundations and Applications, CRC Press 2021