ساختار بدن و امواج بیوالکترومغناطیس
قرار گرفتن سلول‌ها و بافت‌ها در معرض میدان‌های الکتریکی و الکترومغناطیسی میتواند منجر به تغییرات مختلفی در انواع عملکردهای فیزیولوژیکی شود. این تغییرات به دلیل تعامل بین میدان‌ها و فرآیندهای مختلف بیولوژیکی، شیمیایی و الکتریکی (مغناطیسی) است.
برخلاف تصور عمومی، تغییرات در سطح سلولی و بافتی ناشی از اعمال میدان‌های الکتریکی یا الکترومغناطیسی لزوماً خطری برای سلامتی محسوب نمی‌شود. در واقع، بسیاری از تکنیک‌های درمانی و روش‌های بالینی جدید برای درمان بیماری‌ها از اعمال میدان‌های مناسب بهره می‌برند.
بیوالکترومغناطیس حوزه مطالعاتی است که تعاملات بین میدان‌های الکترومغناطیسی و سیستم‌های بیولوژیکی را بررسی و درک می‌کند. این حوزه شامل مطالعه میدان‌های الکتریکی یا الکترومغناطیسی تولید شده توسط سلول‌ها، بافت‌ها یا موجودات زنده، از جمله میکروارگانیسم‌ها است. در انسان‌ها، این فعل و انفعالات به اثرات بالقوه منابع الکترومغناطیسی خارجی بر فرآیندهای داخلی بیولوژیکی، شیمیایی و الکترومغناطیسی مربوط می‌شود.
بنابراین، بیوالکترومغناطیس علمی است که دانش زیست شناسی و پزشکی را با درک الکترومغناطیس که از ریاضیات، فیزیک و مهندسی گرفته شده است ترکیب می‌کند.
رویدادهای الکتریکی کوتاه مدت به نام پتانسیل عمل در انواع مختلفی از سلول‌های جانوری که سلول‌های تحریک پذیر هستند رخ می‌دهد. نورون‌ها، سلول‌های ماهیچه‌ای، غدد درون ریز و همچنین برخی از سلول‌های گیاهی شامل این دسته از سلول‌ها می‌شوند. در سلول‌ها از پتانسیل عمل برای تسهیل ارتباطات و فعال کردن فرآیندهای مختلف درون سلولی استفاده می‌شود.
سلول
سلول واحد اساسی زندگی است. سلول‌های انسانی ساختارهایی هستند که توسط غشای سلولی احاطه شده اندو این غشای سلولی سیتوپلاسم را از ماده خارج سلولی جدا می‌کند.
ساختار درونی یک سلول به ماهیت عملکردی آن بستگی دارد و دارای انواع مختلفی از اندامک‌های پیچیده است. اندازه و شکل یک سلول تا حد زیادی به نوع و عملکرد آن بستگی دارد. به عنوان مثال، سلول‌های عصبی استوانه‌ای هستند، در حالی که سلول‌های ماهیچه‌ای دوکی شکل می‌باشند. سلول‌های بنیادی کروی شکل بوده و سلول‌های گلبول‌های قرمز دیسکی شکل می‌باشند.
فضاهای درون سلولی و خارج سلولی عمدتاً از محلول‌های آب نمک به وجود آمده است. این محلول‌های نمکی که به آن آب بدن نیز از آنها یاد می‌شود، حدود 45 تا 75 درصد از کل وزن بدن فرد را تشکیل می‌دهد. تفاوت این درصد عمدتاً به دلیل میزان تفاوت بافت چربی در بدن افراد است. حدود دو سوم آب بدن مربوط به مایع داخل سلولی (سیتوزول) است که محلول آب موجود در سیتوپلاسم است.
30 درصد باقیمانده آب بدن مربوط به مایع خارج سلولی است که شامل مایع بینابینی و پلاسماست . مایع میان بافتی همه سلول‌ها را احاطه کرده و به عنوان حلقه اتصال بین خون و سلول‌ها عمل می‌کند که برای تبادل مواد مغذی و مواد زائد ضروری است. میزان شوری این محلول‌ها به وجود نمک‌های معدنی و یون‌های باردار بستگی دارد که مهم‌ترین آنها سدیم (Na+)، پتاسیم (K+)، کلرید (Cl-1) و کلسیم (Ca+2) می‌باشند.
غشای سلولی
غشای سلولی ساختاری به ضخامت 5-10 نانومتر است که سلول را احاطه کرده و آن را محیط پیرامون جدا می‌کند. غشای سلولی از مولکول‌های لیپیدی و پروتئین‌ها تشکیل شده است. لیپیدهای غشایی فسفولیپید نامیده می‌شوند. این مولکول‌ها آمفی دوست هستند، به این معنی که یک انتهای قطبی آبدوست و یک انتهای غیر قطبی آبگریز دارند. انتهای آبدوست آنها توانایی جذب مولکول‌های آب را دارد.
در نقطه مقابل، انتهای آبگریز آنها توسط مولکول‌های آب دفع می‌شود. بنابراین، فسفولیپیدها باید به گونه‌ای تجمع پیدا کنند که انتهای آبدوست آنها در معرض آب و انتهای آبگریز آنها دور از مولکول‌های آب باشد. یکی از راه‌های رسیدن به این هدف، تشکیل یک ساختار دولایه است که انتهای آبدوست آنها در خارج و به سمت آب و انتهای آبگریز مولکول‌های فسفولیپید در داخل قرار دارند.
به دلیل وجود لبه‌های آبگریز موجود در لبه‌ها، دولایه مسطح تمایل به ایجاد انحنا دارد و یک محفظه مهر و موم شده یعنی سلول را تشکیل می‌دهد.
همه غشاهای بیولوژیکی حاوی پروتئین هستند. نسبت وزن پروتئین به چربی از 3.6 در غشای میتوکندری تا 0.25 در غشای میلین متغیر است. پروتئین های غشایی بسته به محل قرارگیری بر روی غشا شامل موارد زیر می‌شوند:
- منطقه‌ای
- ورود جزئی به غشاء
- پروتئین غشاء گذر با یک بخش عبور کننده از غشا
- حاشیه‌ای با اتصال لیپیدی
مهم‌ترین نوع پروتئین غشایی پروتئین‌های انتقالی هستند. این نوع پروتئین حرکت یون‌ها، مولکول‌ها و سایر پروتئین‌ها را در سراسر غشاء تسهیل می‌کنند و کانالی را ایجاد می‌کنند که از طریق آن مایع خارج سلولی با سیتوپلاسم ارتباط برقرار می‌کند. سایر پروتئین‌های مهم غشایی گلیکوپروتئین‌هایی هستند که در تعاملات سلول-سلول و پروتئین‌های کروی دخیل در فرآیندهای تنظیمی نقش دارند.
غشای سلولی نه تنها سلول را محدود می‌کند، بلکه به دلیل نفوذپذیری‌اش در برابر آب و یون‌های باردار نقش مهمی را در تمام فرآیندهای متابولیک داخلی دارد. آب توسط پروتئین‌های انتقال غشایی خاص به نام آکواپورین‌ها از غشاء عبور می‌کند. غشای سلولی از طریق این پروتئین‌ها اسمولاریته سلول را تنظیم می‌کند. اختلاف غلظت در دو طرف، منجر به جریان آب در طول غشاء خواهد شد.
غشای سلولی همچنین تونسیته سلول را تنظیم می‌کند که به دلیل تفاوت غلظت ذرات نفوذ ناپذیر در فضای درون سلولی و خارج سلولی، حرکت آب در طول غشاء صورت می‌گیرد. در نتیجه به دلیل جریان آبی که در طول غشاء برای متعادل کردن اختلاف غلظت ذرات ایجاد می‌شود، سلول‌ها حجم خود را تغییر می‌دهند و می‌توانند متورم یا منقبض شوند.
علاوه بر این، غشای سلولی با فعال سازی کنترل شده کانال‌های پروتئینی خاص یا پمپ های یونی که غلظت یون‌های هیدروژن را تغییر می‌دهند، pH سیتوپلاسم را تنظیم می‌کنند. این فرایند به حفظ pH بین 7.0 و 7.5 کمک می‌کند، در این pH همه عملکردهای بیوشیمیایی صورت می‌گیرد.
تغییرات pH داخل سلولی بر عملکردهای متابولیک سلولی تأثیر می‌گذارد.
پتانسیل غشای سلولی
در دو سمت غشاهای سلولی، تفاوت پتانسیل دیده می‌شود. این اختلاف پتانسیل را پتانسیل غشای سلولی یا در مورد سلول‌های تحریک پذیر، پتانسیل غشاء استراحت می‌نامند. سیتوپلاسم معمولاً نسبت به مایع خارج سلولی دارای بار منفی است زیرا حاوی پروتئین‌ها، پلی فسفات‌های آلی، اسیدهای نوکلئیک و سایر مواد یونیزه شده است که نمی‌توانند به غشای سلولی نفوذ کنند.
اکثر این یون‌های داخل سلولی غیرقابل نفوذ دارای بار منفی هستند. در اطراف سطح بیرونی غشای سلولی ناحیه مثبت بیرونی وجود دارد و از ناحیه متراکم‌تری از کاتیون‌های متحرک تشکیل شده است که عمدتاً از سدیم، کلسیم و مقدار کمی پتاسیم تشکیل شده است. از آنجایی که غلظت بارهای مثبت در سطح بیرونی غشای سلولی بیشتر از غلظت بارهای مثبت در سطح داخلی غشای سلولی است، پتانسیل الکتریکی در سراسر غشای سلول وجود دارد.
ممکن است در این مرحله این سوال را بپرسید، اگر پوسته‌ای از یون‌های معدنی با بار مثبت سطح بیرونی غشای سلولی را احاطه کرده، چگونه سطح سلول‌ها از نظر الکتریکی منفی در نظر گرفته می‌شوند؟ پاسخ در وجود بیرونی‌ترین ناحیه الکتریکی منفی نهفته است که از گلیکوکالیکس ایجاد شده است. گلیکو کالیکس بیرونی‌ترین ناحیه الکتریکی منفی است که از مولکول‌های اسید سیالیک با بار منفی و گلیکوپروتئین‌ها و گلیکولیپیدهای غشای سلولی تشکیل شده‌اند که مانند شاخه‌های درخت به سمت بیرون گسترش یافته اند.
بیرونی‌ترین ناحیه منفی با فاصله حدود 20 میکرومتر از سطح مثبت غشای سلولی جدا می‌شود. به گفته چارمن، “این بیرونی‌ترین ناحیه منفی ثابت است که باعث می‌شود هر سلول به عنوان جسمی با بار منفی عمل کرده و میدانی با بار منفی در اطراف خود ایجاد کند که بر هر جسم باردار دیگر نزدیک به خود تأثیر می‌گذارد. این بقایای اسید سیالیک پوشش سلولی (گلیکوکالیکس) است که بار منفی داشته و به هر سلول پتانسیل منفی می‌دهد.
از آنجایی که میدان الکتریکی با بار منفی در اطراف سلول‌ها توسط بقایای اسید سیالیک ایجاد می‌شود، هر عاملی که تعداد اسید سیالیک را افزایش یا کاهش دهد، درجه منفی بودن سطح سلول را تغییر خواهند داد. سلول‌های سرطانی مولکول‌های اسید سیالیک بیشتری در پوشش سلولی خود داشته و در نتیجه سلول‌های سرطانی سطح منفی بیشتری دارند. بنابراین یکی از دلایلی که آنزیم درمانی میتواند در درمان سرطان مفید باشد این است که آنزیم‌های خاصی می‌توانند باقی مانده‌های اسید سیالیک را از سلول‌های سرطانی حذف کرده و منفی بودن سطح آنها را کاهش دهند .
فرض کنید پتانسیل سمت خارج سلولی صفر باشد. اندازه گیری پتانسیل استراحت همیشه چند ده میلی ولت منفی را نشان می‌دهد. مقدار پتانسیل استراحت به اندازه سلول بستگی دارد. یک سلول بزرگ اختلاف پتانسیل بیشتری بین محیط درون سلولی و خارج سلولی دارد، در حالی که یک سلول کوچک اختلاف پتانسیل کمی خواهد داشت. پتانسیل استراحت از 35- تا 90- میلی ولت در سلول‌های مختلف گونه‌های مختلف اندازه گیری شده است.
علامت منفی قراردادی است که نشان می‌دهد محیط درون سلولی دارای بار منفی است. چنین بار منفی نتیجه فعال شدن یون‌های کلر منفی (Cl-1)در حالت استراحت در برابر یون‌های مثبت سدیم (Na+) و کلسیم(Ca+2) است. با کاهش منفی پتانسیل غشا، سلول دپلاریزه می‌شود. برعکس، با منفی‌تر شدن پتانسیل غشاء، سلول هیپرپلاریزه می‌شود. فعال‌سازی کنترل‌شده پمپ‌های یونی در سلول‌های تحریک پذیر مانند سلول‌های عصبی و عضلانی ضروری است زیرا بسیاری از عملکردها و رفتارهای متابولیکی به تشکیل و انتقال پتانسیل‌های عمل به میزان کافی بستگی دارد.
جریان موقت یون‌ها در جهت غلظت، پتانسیل عمل را ایجاد می‌کند و باعث تغییر در مسیرهای سیگنال دهی و سوئیچینگ می‌شود. برای مثال، ارتباط بین سلول‌های عصبی به پتانسیل عملی که در سراسر غشای سلولی سلول عصبی منتشر می شود، بستگی دارد. در فیبر عضلانی مخطط، پتانسیل عمل به سرعت در سطح سلول منتشر می‌شود و منجر به انقباض همزمان عضله می‌شود.
اختلال در غلظت یون‌ها در دو طرف غشای سلولی میتواند باعث مشکلات جدی در عملکرد بدن شود. به عنوان مثال، هر گونه تغییر در غلظت پتاسیم (K+) در مایع خارج سلولی بر پتانسیل غشای استراحت همه سلول ها تأثیر می‌گذارد.
بافت
سلول‌هایی با ساختار و عملکرد مشابه در کنار هم قرار گرفته و بافت‌ها را تشکیل می‌دهند. بافت‌ها واحد اساسی اندام‌هایی هستند که اکثر عملکردهای بیولوژیکی بدن انسان را انجام می‌دهند. چهار نوع بافت اصلی وجود دارد: بافت اپیتلیال، اسکلتی، ماهیچه‌ای و بافت عصبی.
بافت اپیتلیال:
بافت اپیتلیال از سلول‌هایی تشکیل شده است که با فاصله نزدیک کنار یکدیگر قرار گرفته و به هم متصل هستند و سطوح بیرون بدن و حفره‌های مختلف را در داخل بدن می‌پوشانند. این بافت از سلول‌هایی تشکیل شده است که در کنار هم و روی هم قرار گرفته و ظاهری لایه‌ای را در آن بافت ایجاد می‌کنند. اگرچه زه کشی عروقی ندارد، اما به دلیل جایگزینی مداوم سلول‌ها توانایی بازسازی در این بافت وجود دارد. نقش بافت اپیتلیال عمدتاً محافظتی است. مخاط و گرد و غبار را از بین برده، اجازه انتشار و جذب مواد را می‌دهد و در نهایت به تولید و دفع محصولات کمک می‌کند.
بافت پشتیبان:
بافت پشتیبان از سلول‌هایی تشکیل شده است که در مواد بین سلولی فراوان یافت می‌شوند. ماده بین سلولی حاوی دو نوع پروتئینی فیبری است. یکی کلاژن که به ماده بین سلولی استحکام و خاصیت ارتجاعی می‌دهد و دیگری الاستین است که خاصیت ارتجاعی بیشتری به این ماده می‌دهد. این بافت شامل انواع مختلفی از سلول‌های تخصصی است که معمولاً در فیبرها قرار می‌گیرند و در بافت همبند، غضروف و استخوان متمایز هستند.
بافت عضلانی:
سه نوع بافت عضلانی وجود دارد. سلول‌های این نوع بافت به شکل فیبرهایی که توسط بافت همبند پوشانده شده و حاوی رگ‌های خونی هستند، تجمع می‌یابند. سه نوع بافت ماهیچه ای وجود دارد: بافت ماهیچه صاف که عمدتاً دیواره‌ها را می‌پوشاند، مانند دیواره‌های عروق خونی و دستگاه گوارش، بافت ماهیچه‌ای قلب (میوکارد) فقط در دیواره‌های قلب یافت می‌شود و بافت ماهیچه اسکلتی که در ماهیچه‌های اسکلتی یافت می‌شود و متشکل از رشته‌های عضلانی استوانه‌ای نسبتاً بلند دارای خطوط است.
بافت عصبی:
این بافت از نورون‌ها و نوروگلیا تشکیل شده است. نورون‌ها سلول‌هایی هستند که دارای شاخه‌هایی می‌باشند. این سلول‌ها در تولید و انتقال ضربان‌های عصبی تخصص دارند. نوروگلیا از نورون‌ها حمایت کرده، آنها را عایق بندی و تغذیه می‌کند.
سلول‌ها و میدان الکترومغناطیسی
توسعه، نگهداری و تکثیر یک سیستم بیولوژیکی تا حد زیادی بر اساس ارتباطات درون سلولی و بین سلولی است. این ارتباط به یک سلول منفرد اجازه می‌دهد تا با سیستم‌های سلولی همسایه و همچنین با محیط خود تعامل داشته باشد.
امروزه بسیاری از عملکردهای بیولوژیکی سلول‌ها با حرکت یون‌ها (پمپ‌های Ca+2،H+ و حسگرهای ولتاژ سلولی) و تأثیر آنها بر مولکول‌های سیگنال‌دهنده کوچک توضیح داده می‌شوند. لوین در سال 2007 نشان داد که میدان الکتریکی جریان مستقیم تولید شده توسط کانال‌های یونی (به ویژه برای H+، K+ و Ca+2) سیگنال‌های خاصی را ایجاد می‌کنند که رفتار سلول را در طول رشد جنینی، چرخه طبیعی بافت و ترمیم احیا کننده، تنظیم می‌کنند.
طبیعت به طور درون‌زا (از طریق کانال‌های یونی) از میدان الکتریکی جریان مستقیم تولید شده به عنوان یک حامل اطلاعات سریع استفاده می‌کند، زیرا این میدان‌ها شکاف اطلاعاتی بین مولکول‌ها و تأثیرات عوامل خارجی دور (مانند دما و تشعشع) را به شکل مناسب پر می‌کنند. میدان‌های بیوالکتریک برای ارتباطات درون سلولی کوتاه برد ضروری در نظر گرفته می‌شوند.
فرکانس میدان‌های الکترومغناطیسی در بدن به طور معمول در محدوده فرکانس‌های بسیار پایین (ELF) قرار دارند. این میدان‌های الکترومغناطیسی شامل پتانسیل‌های عمل بافت عصبی و قلب، ارتعاشات ماهیچه‌های اسکلتی و فرکانس‌های ناشی از فعالیت ریتمیک سایر بافت‌های بدن می‌باشند. همه سیستم‌های بیولوژیکی، از مولکول‌های داخل سلول گرفته تا خود سلول به عنوان یک موجودیت منفرد و بافت‌هایی که اندام ها و بدن موجودات را می سازند، همیشه تحت تأثیر میدان‌های مغناطیسی متغیر با زمان هستند.
نقش غشای سلولی
حرکت بارها و یون‌ها از طریق کانال‌های متصل به غشاء باعث ایجاد میدان الکترومغناطیسی با شدت ضعیف در هر سلول می‌شود. با این حال، در اندامی مانند مغز، در هر زمان معین، ممکن است یک میلیون سلول (106) وجود داشته باشد که به طور منسجم برای تولید یک عمل خاص برانگیخته می‌شوند.
این اشتعال نورونی منسجم سلول‌ها میدان‌های الکترومغناطیسی قابل ملاحظه‌ای نسبت به هر سلول منفردی تولید می‌کنند. هر سلول (نه فقط سلول‌های عصبی) پتانسیل غشایی را ایجاد می‌کند که مخصوص همان نوع سلول و بافتی است که بخشی از آن می‌باشد و همچنین به درجه تمایز آن نیز بستگی دارد.
در ایجاد میدان الکتریکی نه تنها یون‌های کوچک مانند پروتون، سدیم یا پتاسیم، بلکه مولکول‌های زیستی بزرگ‌تر مانند فاکتورهای بافتی، هورمون‌های رشد، فرستنده‌هایی مانند سروتونین و غیره نیز نقش دارند. تقریباً همه این عوامل علاوه بر عملکرد شیمیایی و فعالیت به واسطه گیرنده خود، با بارهای الکتریکی خود نیز در فرایند‌ها شرکت می‌کنند.
همه این عوامل اطلاعات را نه تنها در سلول بلکه به سلول‌های مجاور نیز منتقل می‌کنند. میدان الکتریکی تولید شده به دلیل پتانسیل غشایی، شاید اولین سیستم اطلاعات بیولوژیکی عمومی باشد.
نقش میکروتوبول‌ها
میکروتوبول‌ها جزء اسکلت سلولی هستند و از توبولین تشکیل شده‌اند. آنها در سیتوپلاسم تمام سلول‌های یوکاریوتی یافت می‌شوند (سلول‌های پروکاریوتی میکروتوبول ندارند) و عملکردهای مختلفی از حمل و نقل گرفته تا پشتیبانی ساختاری را انجام می‌دهند. میکروتوبول‌ها بخشی از اسکلت سلولی هستند که به سلول ساختار و شکل می‌دهند و همچنین به عنوان تسمه نقاله عمل می‌کنند و اندام‌های دیگر را در سیتوپلاسم حرکت می‌دهند. علاوه بر این، میکروتوبول‌ها اجزای اصلی ساختارهای مژک و تاژک هستند و در تشکیل رشته های دوکی در طی تقسیم سلولی (میتوز) نقش دارند.
ویژگی‌های فیزیکی میکروتوبول‌ها تمام الزامات تولید میدان الکترومغناطیسی را برآورده می‌کند: آنها از نظر الکتریکی قطبی، غیر خطی هستند و توسط منبع تغذیه تحریک می‌شوند. مکانیسم‌های مختلفی برای تامین انرژی مورد نیاز برای القای ارتعاشات قطبی در آنها وجود دارد. این انرژی از هیدرولیز GTP به ATP و همچنین انرژی آزاد شده توسط میتوکندری تامین می‌شود. فوتون‌های آزاد شده توسط واکنش‌های شیمیایی نیز می‌توانند انرژی لازم در محدوده طول موج فرابنفش و مرئی را فراهم کنند.
نقش فوتون‌ها
فوتون واحد اولیه انرژی است که می‌توان آن را به عنوان یک موج-ذره در نظر گرفت. انرژی فوتون رابطه معکوس با طول موج آن دارد و با معادله زیر می‌توان E = h.c/A آن را محاسبه کرد که در آن E انرژی، h ثابت پلانک، c سرعت نور و A طول موج فوتون می‌باشد. مطالعات و آزمایش‌های متعدد نشان داده‌اند که تقریباً تمام سیستم‌های زنده سطحی از فوتون را از خود گسیل می‌کنند. در سیستم‌های زیستی واکنش‌های شیمیایی فراوانی که در مکانیسم‌های مختلف انجام می‌شوند، فوتون‌ها را ساتع می‌کنند. انتشار فوتون در بسیاری از مطالعات ثبت شده است، از کشت‌های سلولی گرفته تا بخش‌هایی در مغز.
میتوکندری‌ها ساختارهای شناخته شده‌ای در داخل سلول هستند که تصور می شود از طریق واکنش‌های شیمیایی که در آنها با وجود اکسیژن انجام می‌شود، فوتون‌ها را منتشر می‌کنند.
میتوکندری در بسیاری از عملکردهای سلولی مانند: تولید انرژی، رشد، پیری و حتی ارتباطات نقش مهمی دارد. تمام نتایج و مطالعات مرتبط در مورد انتشار فوتون از سلول‌ها و واکنش‌های متابولیکی نشان می‌دهد که چقدر این انتشارات بین سیستم‌های زنده مشترک است. در داخل و خارج سلول یک حمام پیوسته از تابش فوتون وجود دارد که طول موج های آنها در حدود امواج مادون قرمز، مرئی و فرابنفش می‌باشد و این امواج بر سلول‌های همسایه تاثیر می‌گذارند.
