Презентация к уроку биологии "Гальванотаксис: катодный и анодный эффекты"

Гальванотаксис: Катодный и Анодный эффекты Временный научно-исследовательский коллектив Казань 2021г. (froxy@inbox.ru) Временный научно-исследовательский коллектив: Олег Орлов - Гимназия №102 им. М.С. Устиновой г. Казань Лариса Князева, Вагин В. Л. - Кафедра зоологии и общей биологии КФУ Аннотация Направленная миграция организмов, отдельных клеток или их агрегатов по силовым линиям электрических полей - одно из малоизученных свойств живых существ. В упрощенном варианте – движение в сторону «анода» называют – «анодный эффект», в сторону «катода» – «катодный эффект». Несмотря на имеющиеся данные экспериментов по этой теме, каких-либо понятных объяснений феномену нет. Если анодный эффект, например, обыденно используется на практике при ловле рыбы – «электролов рыбы», то катодный эффект, как движение в сторону катода выражен у головастиков лягушек, подвижных беспозвоночных организмов, простейших организмов, бактерий, отдельных клеток многоклеточных - используется для ускоренного срастания костей при переломах (10-20 мкА) и только. По данной тематике нами проведены серии экспериментов с модельными организмами: бактерии, простейшие, черви, легочные моллюски, мелкие ракообразные, головастики лягушек и аквариумные рыбы. Считаем, что выявленныенами закономерности найдут практическое применение в экспериментальной биологии и практической медицине.

-Катодный эффект (CaE)CaE)) - целенаправленное движение в направлении электрода катод (CaE)-) организмов, включая отдельные клетки и их агрегаты. -Анодный эффект (CaE)AnE)) - целенаправленное движение организмов в направлении электрода анод (CaE)+). (CaE)от «таксиса» данный феномен - катодного и анодного эффектов отличается тем, что биологическая система (CaE)организм, клетка, агрегат из клеток) целенаправленно движется именно в направлении выбранного электрода, несмотря на пространственное положение другого – что можно было назвать и положительным тропизмом) К-вопросу Электротаксис, или по-другому – гальванотаксис, в настоящее время исследуется некоторыми ведущими лабораториями мира с целью поиска варианта направленного действия электрических полей, например, на раковые клетки и их агрегаты. По биологии «поведение» раковых клеток и их агрегатов больше напоминает поведение одиночных и социальных амеб, поэтому последние часто используются как модельные объекты для изучения вариантов передвижений раковых клеток в электрическом поле. Можно выделить характерные реакции живых объектов в водной или просто влажной среде на присутствие электрического поля. 1. Реакция на анод «Анодный эффект» - когда биологическая система (БС), например, организм, совокупность клеток или отдельные клетки, движется в направлении электрода анод (Ano).). 2. Реакция на катод «Катодный эффект» биологическая система перемещается или перестраивается в направлении электрода катод (Cht).). 3. Реакция дезориентации (Dis)) представлена в хаотическом движении БС без предпочтения направления движения. 4. Стресс-реакция (St).r),), часто стоп на месте с выделением защитной слизи. 5. Реакция избегания (Lea)) - это равное движение от анода и катода к самому низкому напряжению электрического поля. Наиболее эффективно, но в ущерб природе, используется «анодный эффект», «заставляющий» рыбу подплывать к аноду, на чем основан принцип работы

«электрических сетей», или, например, подключение анода к металлической трубе, чтобы «выкачать» рыбу из моря вместе с водой для костной муки. Известно, что Amoeba proteus явно имеет 100% катодный эффект, то есть они медленно, но мигрируют к катоду при воздействии электрического поля в диапазоне от 300 мВ / мм до 600 мВ / мм. Воздействие электрического поля не на отдельную клетку, Paramecium а на группу caudatum (подобно клеток мурмурации) приводит к «согласованному движению всех лабораторной микропопуляции к катоду» (цит). Есть успешные попытки использовать «Катодный эффект» как метод ускоренного сращения костей и скорости регенерации тканей, когда амебоидные мобильные клетки всех типов бластов: фибробласты и остеобласты, перемещаются к катодному электроду и накапливаются Большинство экспериментов модельном объекте на нем, с регенерируя электротаксисом - социальной амебе ткань и проводятся орган. на Dictyostelium discoideum, имеющей два фенотипических состояния: индивидуум и совокупность многих особей («мобильная единица», «подвижный агрегат» или «самоходная система частиц» - САО, что также характерно для большинства видов злокачественных опухолей). Существует еще один модельный объект для изучения поведенческих реакций раковых клеток - свободноживущая нематода Caenorhabditis elegans, которая представлена исследователями как поведенческая модель саркомы. Кроме того, катодный эффект, присущий этому виду червей, проявляется также у водных и почвенных червей, а также у легочных брюхоногих моллюсков. Многочисленные эксперименты с этими тест-объектами постепенно приближают нас к пониманию «этологии» раковых клеток и их агрегатов. В настоящее время нет полных знаний о причинах и механизме инвазии (направленной миграции) раковых клеток, а также общего понимания цели миграции клеток по градиенту электрического потенциала. Усилия многих всемирно известных научных лабораторий, разрабатывающих новые методы борьбы с раком, направлены на понимание причин и механизмов миграционной активности раковых клеток.

Считается (с большими оговорками), что биологическая система движется по градиенту из-за образования диполей в самой системе, где элемент Са + служит положительным зарядом, тем или иным образом перераспределяя направление движения. (Int).er),net).) Потенциал действия на мембране клетки (Int).er),net).) Практически любая живая клетка на своей поверхности несет положительный потенциал действия (С) из-за разницы концентраций катионов Na)+ и K+ внутри и снаружи клетки.

Пример движения к катоду одной клетки (Int).er),net).) Активность мелких сигнальных с зарядами +/- эктосом бактерий показана как число фотолюминесцентных реакций на единицу объема среды, в сравнении с крупными эктосомами одноклеточной водоросли Сценедесмус экорнис.

Выводы двух статей ведущих мировых журналов: 1й. «Наши результаты согласуются с гипотезой о перераспределение мембранных компонентов подвижной том, что электрофорезе является основным физическим механизмом дляклетки подвижных клеток для восприятия электрического поля. Эта химическая при поляризация клеточной мембраны затем преобразуется внутриклеточными сигнальными путями, каноническими для хемотаксиса, чтобы определить направление движения клетки». 2й.«Наши электрических результаты диполей, подтверждают связанное с внутреннее образование различными паттернами цитоплазматического потока, что можно объяснить моделью iPC-CS. В совокупности этот альтернативный биофизический механизм подвижности клеток обеспечивает новое понимание биоэнергетики, имеющее отношение к потенциальным новым биомедицинским приложениям». Модельные объекты: Моллюски Брюхоногий легочный моллюск – Физа заостренная (Physa acuta)) - как поведенческая модель для изучения катодного эффекта с целью интерполяции полученных данных на другие беспозвоночные организмы, включая отдельные клетки и их агрегаты. Более подходит для изучения индивидуальных двигательных реакций в ответ на: изменение силы тока, напряжения или внесение в среду каких-либо веществ. Экология – «Лёгочный моллюск, имеет левозавитую раковину высотой 10-17 мм, с 4-5 умеренно выпуклыми оборотами. Питается растительным детритом, который собирает как с поверхности воды, так и со дна водоема. Встречается в хорошо прогреваемых проточных и стоячих водоемах, чаще в малых реках и их поймах, в ручьях, прудах, на глубине 0,05-0,5 м. Обитает в зарослях высшей водной растительности, или на твердых субстратах, держится близко к поверхности водоема».

1. Тестовый объект лабораторных исследований - Physa acuta. A. Высота корпуса 10-17 мм, ширина 6-9 мм, высота отверстий до 10,9 мм, ширина отверстий до 7,6 мм, высота изгиба до 5,3 мм. Б. Пища - порошок сушеного растения салат. C. Легко перемещать ложкой или препаровальной иглой. E. Допуск высыхания - 30 мин. Ж. Придерживается верхней кромки воды.

2. Гальванический планшет для исследования гальванотаксиса (1,5 В). 1. Чашка Петри для передержки модельных объектов. 2. Чашка Пери рабочая с электродами. 3. Электроды Катод и Анод. 4. Фото – кинокамера Из чашки Петри, где улитки находятся в режиме передержки (временная адаптация к воде на 10-15 минут), особей поодиночке или группами переносят в центр чашки Петри с электродами. Регистрируется время, и через 3 минуты фиксируется максимальное местонахождение улиток Physa acuta. Результаты для каждого случая занесены в рабочую таблицу первичных данных №1. 3. Последовательность действий «Изучение поведенческих реакций моллюска Physa acuta на воздействие электрических полей для интерполяции полученных данных в другие автономные биологические системы водной среды».

Катодный эффект как компонент гальванотаксиса известен давно. Однако в настоящее время нет убедительных данных, показывающих цель и механизм этого явления, несмотря на накопленный материал о миграции живых систем в электрическом поле, таких как: отдельные крупные беспозвоночные: черви, моллюски, клеточные агрегаты: социальные амебы, саркомы - инвазивные агрегаты, ассоциации парамеций, отдельные клетки: лейкоциты, свободноживущие амебы, раковые клетки и др. В некоторых работах явление объясняется образованием диполей внутри системы, в которой катион Са+ играет основную роль. Несколько других работ предполагают, что диполи образованы противоположно поляризованными аминокислотами. В любом случае биологическая система всегда адекватно реагирует на слабые электрические поля готовыми поведенческими реакциями, которые, скорее всего, используются системой для выполнения определенных функций, обеспечивающих выживание. У рыб, водных позвоночных, напротив, наблюдается «анодный эффект», что также требует дополнительных исследований. И анодный, и катодный эффекты выражаются в том, что организмы, даже будучи «оглушенными» или «ранеными», направляются к «своему» электроду против своей «воли», выбирая его. Исследователи электротаксиса или, другими словами, гальванотаксиса, отмечают очень важные особенности, с которыми им пришлось столкнуться. Первая характеристика - это размер биологической системы, будь то отдельные организмы, клетки или их группы. Чем крупнее система, тем быстрее она ориентируется и начинает двигаться к электроду. Пример - молодые лейкоциты, в отличие от зрелых, плохо реагируют на электрические поля. Мы отметили подобное явление у брюхоногих моллюсков, когда крупные формы сразу «уходили» на электрод. Вторая особенность - пищевое насыщение, более «голодные» больше всего подвержены дезориентации, при которой в рабочем объеме происходят хаотичные движения. Третья особенность заключается в том, что диапазон напряжений электрического поля, не повреждающего клеточные структуры, находится в пределах от 150 до 500 мВ. Наиболее

предпочтительный «щадящий» диапазон для экспериментальной работы, рассчитанный для клеток HeLa), составляет 200 мВ, что также подходит для других перечисленных модельных биологических объектов. Объект исследования, расположенный в центре рабочей чашки Петри, сталкивается с выбором направления движения: либо по силовым линиям от катода или анода, либо в сторону увеличения или уменьшения напряжения. Та или иная «попытка» засчитывается в случае движения биологической системы и попадания в «тестовую зону» около электрода, а также при «приземлении» на сам электрод. Временной интервал - экспозиция с начала опыта может варьироваться: для брюхоногих - 3 минуты, для Cladocera - 15-25 минут, для простейших - около 30 минут. Следует иметь в виду, что при построении моделей поведенческих реакций биологических систем движение в том или ином направлении часто осуществляется ими по стенкам чашек Петри, и это, как на поводок, приводит организмы на электрод. Брюхоногие моллюски катушки (Planorbis) По своей биологии разные виды аквариумных катушек мало отличаются друг от друга. Для экспериментов на гальванотаксис, как показал опыт, лучше использовать группы катушек среднего размера. Кроме того, использование групп улиток дает возможность быстро набрать статистику, а скорость размножения катушек и их неприхотливость позволяет всегда иметь биологический материал для экспериментов.

Распределение напряженности и направлений силовых линий

Рабочая таблица первичных данных 1.2.3 – номера повторностей Таблица вторичных данных Катод Анод Хаотичное Стресс (Ct).h) (Ano).) (Dis)) (St).r),) Избегание (Lea)) 112 7 12 9 4 78% 4.9% 8.3% 6.2% 2.8% Таким образом можно рассчитать и процент особей с явным предпочтением вектора движения в направлении анода или катода.

Модельный объект Bacillus subtilis (СеннаяСенная палочка)

 

Подсчет бактерий х20 + камера 5мп в среде программы Irfan View «Катод» - размещение равномерно «Анод» и контроль – сгустки У электрода Анод и в контроле бактерии погружены в выделяемое ими внеклеточное полимерное вещество (внеклеточный матрикс) — слизь, которая образует первичную биопленку, прикрепляясь к субстрату или оседая на дно. С другой стороны, бактерии возле катода становятся более активными, расталкивая капсулами пространство между собой, отчего равномерно распределяются, образуя меньше сгустков. Численность бактерий на катоде превышает численность бактерий на аноде и в контроле на 15% - 30%, при

экспозиции в 1 - 2-а часа. Но надо иметь ввиду, что бактерии, как тестовые, объекты не благодарные, и требуют для выполнения своих функций равномерное слабое освещение, стабильную температуру и отсутствие циркуляции воздуха в помещении. Модельный объект - Парамеции (СеннаяParamecium) У электрода анод после 30 мин экспозиции в электрическом поле 1.3 В. У электрода катод после 30 мин экспозиции в электрическом поле 1.3. В Количество парамеций у катода в 4.7 раза превышает чем у электрода анод.

Модельный объект Дождевой червь Выбирая дождевого червя в качестве тест объекта, необходимо поместить несколько среднеразмерных особей в проточную либо сильно аэрированную воду. Из нескольких отобрать самых активных и приступить к самой работе. Не интерполируя данные наших экспериментов на представителей всех типов червей, мы все ж отмечаем положительный катодный эффект имеющихся у нас в культуре их представителей: Дождевые черви, Нематоды, Планарии, Коловратки. Модельный объект - рачок (Cla)do).cer),a)) Simocephalus expinosus – лабораторная культура которого, в отличии от D. ma)gna), гораздо проще в содержании и не требует для питания водоросль хлореллу. Кроме того, симоцефалусы ведут по более сидячий образ жизни, не тратя энергию на «парение» в воде как дафнии, перемещаясь короткими «перебежками» от

субстрата к субстрату, потому и потребность в калориях более низкая. Катодный эффект у ветвистоусых рачков

Модельный объект – головастики Лягушки Озерной Взрослая особь и лягушачья икра в аквариуме Катодный эффект у головастиков: а) до включения напряжения 1.3мВ; б) экспозиция напряжения 5 – 15 мин.

Эксперименты в условиях лаборатории на кафедре КФУ Катодный эффект у головастиков Катод отмечен синей полоской на омедненной пластине (-), анод же помечен красной полоской на омедненной пластине (+), к которым шли соответствующие провода от источника питания постоянного тока в 4.5в.

Электрофорез лизатов бактерий и взвешенных частиц Фото Экспозиция с электродами (1.3мВ) в бактериальной среде №7 а. После тридцатиминутной экспозиции электродов в рабочей емкости становится заметен электрофорез, как коллоидных, так и просто взвешенных частиц, состоящих из отдельных клеток их фрагментов и всякого рода лизатов. б. Через 8 часов экспозиции – медь с электрода анод попадает в воду. Анодный эффект - у рыб

 

Практическое применение Практическая медицина 1. Пример практического применения электрического поля для лечения костных переломов у людей. В настоящем имеются специальные накладки, создающие разность потенциалов в местах приложения в случаях переломов. 2. Биотестирование – наблюдение за изменением стандартной модели поведения тестовых объектов при внесении или воздействии на среду: а. Химических агентов б. Физических полей 3. Онкология манипуляция с электродами для нарушения сценария развития раковой опухоли, т.с. дезориентируя раковые клетки и не давая им собраться в подвижные агрегаты - тараны, движимые по градиенту электрического поля, идущего от тканей и органов.

(СеннаяInternet) 4. Экспериментальная биология – изучение поведения («этология») разных по степени дифференцировки отдельных клеток, их агрегатов, для создания возможных сценариев влияния на процесс терминации. + -