Фізики вивчають… дріжджі

Загальноприйнятою є думка, що у нинішні часи серйозні наукові дослідження неможливі без значних матеріальних витрат. Зокрема, коли йдеться про передній фронт фізики, хімії чи біології, уявляються величезні – схожі на заводські цехи – лабораторії зі складним та дорогим устаткуванням, до роботи з яким залучається висококваліфікований персонал.

Ці уявлення відповідають істині лише частково. Наукові дослідження вимагають не стільки матеріальних витрат, скільки специфічних якостей вченого: наполегливості, винахідливості, інтуїції та широких знань. За їх наявності зробити наукове відкриття можна і на дуже скромному обладнанні, особливо за тими напрямками, де перетинаються інтереси різних наук.

Одним з таких «малобюджетних» напрямків є дослідження живих клітин за допомогою біологічного діелектрофорезу. Винахідником цього методу вважається англійський фізик Герберт Поль. Результати його напрочуд простих та ефективних експериментів публікувалися у провідних наукових журналах у 70-х роках ХХ ст.

Діелектрофорезом (ДЕФ) називають рух незаряджених діелектричних частинок у неоднорідних електричних полях. Виникнення сили, що спричиняє цей рух (ДЕФ-сили), можна пояснити за допомогою простих міркувань. Якщо діелектрична частинка потрапляє в електричне поле, у ній спостерігається явище поляризації – виникнення та орієнтування диполів, в результаті чого у частинки індукується певний дипольний момент, що дорівнює сумі моментів окремих диполів. Якщо зовнішнє поле – однорідне, воно діє з однаковими за модулем силами на позитивний та негативний заряд диполя, а отже, сумарна сила дорівнює нулю. У неоднорідному полі відповідні сили різні за модулем, а більшою є та, де напруженість поля більша (силові лінії густіші). Таким чином, виникає ДЕФ-сила, що діє у бік згущення силових ліній, тобто частинка втягується в бік більшої неоднорідності (рис.1). Математично, формулу для ДЕФ-сили записують так:

F_деф ~ f(ε₁,ε₂)·∇(E²).

Цей вираз означає, що сила спрямована у бік максимального згущення силових ліній і пропорційна швидкості їх згущення, а також залежить від діелектричної проникності матеріалу частинки та зовнішнього середовища. Те, що напруженість електричного поля стоїть у квадраті, означає що ДЕФ-сила діє як у постійному, так і змінному полі.

Явище діелектрофорезу відомо давно, а у наші часи воно широко використовується як ефективний інструмент для маніпулювання мікро- та наночастинками.

На живу клітину, як на будь-яку діелектричну частинку^[1], в неоднорідному електричному полі буде діяти ДЕФ-сила. Переконатись у цьому досить легко, зібравши просту установку, яка складається зі звичайного мікроскопа та скляної пластинки з електродами, електричне поле між якими повинно бути достатньо неоднорідним (рис. 2). До електродів підключається джерело змінної напруги, для чого можна використати генератор коливань низької частоти.

Головне питання: який біологічний об’єкт досліджувати і де його дістати? Виявляється, що найзручнішим мікроорганізмом для фізичних дослідів є звичайні дріжджі. Дріжджова клітина має овальну форму розмірами 4÷6 мкм, її добре видно у мікроскоп. Від інших мікроорганізмів вона відрізняється цілковитою безпечністю (мікробіологи кажуть – не є патогенною), невибагливістю до харчування та зберігання та – головне – доступністю. Зрозуміло, що для серйозних дослідів треба використовувати колекційний штам та вирощувати його у стандартизованих живильних середовищах. Однак, на початковому етапі, можна взяти звичайні хлібопекарські дріжджі, а живильним середовищем може бути розведений водою солодовий екстракт.

Сам дослід полягає у тому, що крапельку рідини з живими клітинами розміщують між електродами, до яких прикладають невелику (10÷20 В) змінну напругу і спостерігають, як клітини прилипають до тих ділянок електродів, де поле є більш неоднорідним.

Те, що клітини будуть прилипати – цілком очевидно, і, якби не одна незвичайна обставина, явище біологічного діелектрофорезу знайшло б своє застосування хіба що як інструмент маніпулювання клітинами, як своєрідний електричний пінцет. Але виявилось, що ДЕФ-сила, яка діє на живі клітини, суттєво залежить від частоти змінної напруги, і це дуже нагадує явище резонансу. На певних частотах клітини притягуються до електродів дуже сильно, наче залізні ошурки до полюсів магніту (рис. 3).

На інших частотах – притягання ледь помітне. Варто додати, що для клітин різного віку ця залежність різна (рис. 4), а для мертвих клітин резонанс взагалі відсутній.

Чому ж резонансна залежність ДЕФ-сили від частоти є несподіваною? Справа ось у чому. Згідно з наведеною вище формулою,  залежить від деякої функції діелектричної проникності як клітини, так і зовнішнього середовища. У свою чергу, залежність діелектричної проникності речовини від частоти поля визначається тим або іншим механізмом поляризації. Для простих рідин, зокрема розчинів кислот, лугів та солей, ця залежність не має особливостей на низьких частотах, вона є монотонною, так само, як і для мертвих клітин. Отже, напрошується висновок: спостережуваний резонанс є специфікою саме живого організму, нехай навіть і одноклітинного.

Повернімось до експерименту. Для того, щоб залежність ДЕФ-сили від частоти електричного поля була достовірною, необхідно визначити, вимірювання якого параметру дасть необхідну точність. Сам Г. Поль на початку своїх досліджень підраховував під мікроскопом число клітин, що прилипли до електродів за певний проміжок часу. Надалі методику було вдосконалено. Оскільки клітини частково перекривають світловий пучок (рис. 3), до окуляра мікроскопа приєднали фотоелектричний приймач, сигнал  якого був пропорційним до кількості налиплих клітин.

Фотоелектричний метод реєстрації застосовують і досі в процедурі  сепарації (розділення) клітин на фіксованій частоті поля. Але досліджувати частотну залежність у такий спосіб досить незручно, оскільки після вимірювань на кожній частоті електроди треба очищати від налиплих клітин. Спроби автоматизувати цей процес  ускладнюють методику, і через це експеримент втрачає свою привабливу простоту.

Кардинально вирішити проблему англійському вченому допомогли інтуїція та знання електротехніки. Він міркував так: якщо електричне поле здатне рухати діелектричні частинки, чому б воно не спробувало їх обертати? Для цього необхідно дещо змінити систему електродів та їх живлення. Якщо встановити 4 електроди навхрест і подавати на них змінну напругу із зсувом по фазі (рис. 5) матимемо щось схоже на обмотки статора електродвигуна і діелектрична частинка несферичної форми буде обертатись. Частота обертання частинки буде значно нижчою за частоту поля, тому за нею можна спостерігати у мікроскоп. При різних частотах поля швидкість обертання буде різною, що зумовлено тими ж причинами що і частотна залежність ДЕФ-сили. Отже, спостерігаючи за однією частинкою і поступово змінюючи частоту поля, можна визначити оптимальні для обертання умови. Спостережуване явище назвали «електрообертанням».

Для дріжджових клітин цей експеримент виявив ще більш різку залежність від частоти, ніж це було у випадку діелектрофорезу, що призвело до появи емоційної назви «спін-клітинний резонанс». Термін «спін» був запозичений з квантової фізики, де він визначає власний момент мікрочастинки (електрона, атома чи молекули). Умоглядним (але, як з’ясувалось згодом, неправильним) тлумаченням існування спіну вважалося обертання частинки навколо власної осі.

Сам Г. Поль так прокоментував ці результати: «Те, що ми спостерігаємо, не можна пояснити простими моделями на кшталт «мішечка з електролітом». Необхідно залучати нові уявлення про структуру та функції живої речовини. Працюючи в цьому напрямку, можна відкрити багато нових явищ, які, цілком ймовірно, сприятимуть новому розумінню Живого».

У наступні роки ці слова цілком підтвердились, однак численні експерименти поставили більше питань, аніж дали відповідей. Для пояснення спостережуваних явищ залучаються новітні ідеї, зокрема концепція біологічної когерентності Г. Фрьоліха (див. статтю у журналі «Країна знань» №4 за 2008 рік). Нагадаємо, що згідно цієї концепції клітина за умови активної життєдіяльності представляє собою гігантський диполь, що коливається з певною, характерною для даного типу клітин, частотою. Взаємодія внутрішніх та зовнішніх змінних електричних полів може призвести до згаданих особливостей біологічного діелектрофорезу та електрообертання.

Описані вище досліди цілком реально відтворити у шкільній лабораторії, а за умови досягнення позитивних результатів – продовжити самостійні дослідження.

А.В.Якунов, кафедра оптики фізичного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка

^[1] Більш строго, жива клітина може бути представлена як маленький «мішечок» з електролітом. Оскільки електроліт – провідник, то він характеризується комплексною діелектричною проникністю .  Можна показати, що ДЕФ-сила  залежить від дійсної частини, тобто від .

За темою: Фізика

№1, 2025

Роберт Гук - його вважають найбільш винахідливою людиною

№9, 2024

Сучасна фізика: через більшу складність – до нової якості!

№6, 2024

Чому Альберт Ейнштейн не прийняв сучасну квантову теорію?