Zellen nutzen „Bioelektrizität“, um zu kooperieren und kollektive Entscheidungen zu treffen

• Es wurde aufgeklärt, wie Epithelzellen über elektrische Signale abnormale Zellen ausstoßen
• Veränderungen des Membranpotenzials wirken als Ausgangspunkt der Zellausstoßung (extrusion) und identifizieren schwache oder energiearme Zellen
• Gesunde Zellen stellen das Potenzialungleichgewicht wieder her, beschädigte Zellen können es jedoch nicht aufrechterhalten und werden nach einer Kontraktion aus dem Gewebe gedrückt
• Diese bioelektrischen Ströme spielen eine Schlüsselrolle für die Erhaltung der Gewebegesundheit und die Steuerung des Wachstums
• Forschende betonen, dass Bioelektrizität ein grundlegender Mechanismus des Informationsaustauschs in lebendem Gewebe weit über das Nervensystem hinaus ist

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Bioelektrizität und Kommunikation zwischen Zellen

• Jüngste Forschung bestätigt, dass Epithelgewebe elektrische Signale nutzt, um abnormale Zellen auszuscheiden
  • Dieser Prozess ist wichtig, um die Gewebegesundheit zu erhalten und Krankheiten wie Krebs oder Asthma vorzubeugen
  • Der elektrische Fluss fungiert als eine Art „Gesundheitscheck“ der Zellen
• Je dichter die Zellen gepackt sind, desto stärker nimmt der Stromfluss durch die Zellmembran zu, und schwache Zellen scheitern daran, ihr Potenzial aufrechtzuerhalten
  • Dabei tritt Wasser aus der Zelle aus, die Zelle schrumpft und wird anschließend aus dem Gewebe entfernt
• Der Forscher GuangJun Zhang bewertet die Entdeckung als ein Beispiel dafür, dass bioelektrische Signale für Entscheidungen auf Zellebene zentral sind

Grundprinzipien der Bioelektrizität

• Alle Zellen verbrauchen Energie, um ein Membranpotenzial (membrane potential) aufrechtzuerhalten
  • Dabei handelt es sich um eine Potenzialdifferenz, die durch Unterschiede in der Ionenkonzentration auf beiden Seiten der Zellmembran entsteht, also um eine Form gespeicherter elektrischer Energie
• Über Ionenkanäle und Pumpen regulieren Zellen die Bewegung elektrischer Ladungen und erzeugen so elektrische Signale
• Nervenzellen nutzen dieses Potenzial, um durch Freisetzung von Neurotransmittern und Potenzial-Spikes Informationen zu übertragen
  • Auch Muskelkontraktionen und der Herzschlag beginnen mit solchen elektrischen Signalen

Elektrischer Ausstoßungsmechanismus in Epithelzellen

• Epithelgewebe verwendet etwa 25 % seiner Energie, um das Membranpotenzial aufrechtzuerhalten
• Das Forschungsteam von Jody Rosenblatt beobachtete, dass bei Zelldichte einige Zellen nach einer Kontraktion aus dem Gewebe herausgedrückt werden
  • Die Veränderung des Potenzials ist der Ausgangspunkt der Ausstoßung, wobei spannungsgesteuerte Kaliumkanäle eine Schlüsselrolle spielen
• Gesunde Zellen aktivieren Pumpen, um das Potenzial wiederherzustellen, beschädigte Zellen können es jedoch nicht aufrechterhalten und werden nach der Kontraktion ausgeschieden
  • Druck zwischen den Zellen löst die Potenzialänderung aus und identifiziert dadurch das „schwache Glied“ im Zellverband

Evolutionäre Universalität der Bioelektrizität

• Laut der Forschung von Gürol Süel koordinieren auch Bakterienkolonien (biofilm) Zusammenarbeit und Ressourcenverteilung über elektrische Signale
  • Veränderungen des Potenzials spiegeln den Zustand der Zellen unmittelbar wider und dienen als schnelles Mittel zur Informationsintegration
• Bioelektrizität erweist sich als ein Regulationsmechanismus, der im Verlauf der Evolution immer wieder aufgetreten ist
  • Sie wird in sehr unterschiedlichen Lebensformen genutzt, darunter Nervenzellen, Epithelzellen und taktile Reaktionen von Pflanzen
• Forschungen von Zhang, Levin, Barriga und anderen zeigen, dass elektrische Signale auch an der Richtung embryonalen Wachstums und an der Formbildung beteiligt sind

Erweiterte Perspektiven der Bioelektrizitätsforschung

• Krebszellen besitzen ein anderes Membranpotenzial als normale Zellen, und ein Versagen der elektrischen Regulation könnte mit der Tumorbildung zusammenhängen
• Bioelektrizität bildet die Grundlage aller zellulären Energiesysteme, etwa der ATP-Synthese
  • Einige Hypothesen zum Ursprung des Lebens sehen elektrische Ströme an hydrothermalen Tiefseequellen als Ausgangspunkt des Lebens
• Forschende betonen, dass noch nicht einmal die Hälfte der Bioelektrizität verstanden ist, und sehen darin ein zentrales künftiges Forschungsfeld der Lebenswissenschaften

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Hacker-News-Kommentare

• Michael Levins Interview war wirklich faszinierend. Ab 1:19:11 bekommt man einen Rückblick auf seine jahrelange Bioelektrizitätsforschung und erstaunliche Beispiele wie das Experiment, bei dem in Froschembryonen Augen erzeugt wurden
  Interview-Video ansehen
  • Besonders eindrucksvoll war Levins Rückblick. Seine Forschung erschüttert die genzentrierte Sicht auf Entwicklung. Experimente, in denen elektrische Muster genetische Anweisungen übergehen und Augen an Stellen entstehen lassen, die kein Augengewebe sind, zeigen eine weitere Ebene morphogenetischer Information, die wir gerade erst zu verstehen beginnen
  • Im Video geht es auch um die Anfangszeit seines Labors. Die Entdeckung, Augen mithilfe von Bioelektrizität zu „modellieren“, war eine wirklich wahnsinnige Innovation. Ich habe einen Discord-Server erstellt, weil ich Leute suche, mit denen ich über dieses Thema sprechen kann
    Beitrittslink
  • Übrigens sollte man sich auch unbedingt den biologischen Teil am Anfang anhören. Erst damit versteht man die Bedeutung des späteren Inhalts richtig
• Seit ich Michael Levins Forschung gelesen habe, bin ich überzeugt, dass bioelektrische Aktivität auch außerhalb von Neuronen sehr wichtig ist. Dieses Beispiel ist einfach, aber interessant. Der Prozess, bei dem Zellen sich gegenseitig abstoßen und die schwächste Zelle herausfinden, wirkt fast wie ein Mechanismus von Kooperation und Ausgrenzung innerhalb einer Gemeinschaft
• In einer Studie von 2023 wurde berichtet, dass sich mit externem Strom die Wundheilung beschleunigen ließ. Das war besonders wirksam bei Fällen, die schlecht heilen, etwa diabetischen Wunden
  Link zur Studie
• Ich finde die Formulierung im Artikel von Quanta Magazine etwas übertrieben. Die eigentliche Forschung zeigt, dass sich beim Verdichten von Zellen das Membranpotenzial verändert und energiearme Zellen sich zusammenziehen, dabei ihre Nachbarn signalisieren und schließlich selbst ausgestoßen werden. Es geht also nicht um eine „kollektive Entscheidungsfindung“ zwischen Zellen, sondern um physikalisch-chemische Reaktionen auf Ebene einzelner Zellen
  • Wäre es dann auch eine „Entscheidung“, wenn Chemikalien die Richtung eines Flagellums verändern? Am Ende ist es eine Definitionsfrage, was eine „Entscheidung“ ist. Ähnliche Koordinationsmechanismen sieht man auch bei der Zellteilung (Mitose)
  • Das ist eine treffende Erklärung
• Robert O. Beckers The Body Electric (1985) behandelte solche Themen ebenfalls. Es freut mich zu sehen, dass die aktuelle Forschung diese Linie fortsetzt
• Auch auf Zellebene ist Elektrizität zentral. Die meisten Biomoleküle liegen an der Grenze zwischen Leitern und Isolatoren, und ihr Zustand ändert sich je nach Bindung oder pH-Wert. Die elektrischen Wechselwirkungen von Zellverbänden sind eine Abstraktionsebene darüber
  Verwandter Artikel
• Könnte diese Forschung vielleicht mit dem Phänomen von Menschen, die sich empfindlich gegenüber nichtionisierender Strahlung fühlen, zusammenhängen?
  • Ein Bekannter von mir dachte lange, elektromagnetische Wellen seien das Problem, aber letztlich stellte sich eine genetische Erkrankung heraus: Hämochromatose (hemochromatosis). Regelmäßiges Blutspenden hat das Problem gelöst
  • Ich bin tatsächlich empfindlich gegenüber elektromagnetischen Feldern. Elektromagnetische Strahlung verursacht bei mir Schlaflosigkeit, Albträume und eine Verschlechterung von Stimmungsschwankungen. Spannungsgesteuerte Ionenkanäle stehen mit Stimmungsstörungen in Verbindung, und das könnte ein Weg sein, über den sie auf EMF reagieren
    Zugehörige Arbeit
  • Letztlich wird dabei Energie eingestrahlt, daher kann das natürlich das chemische Gleichgewicht beeinflussen. Es könnte auch ein einfacher Effekt wie Temperaturanstieg sein
• Ich fand es erstaunlich, dass Zellen 25 % ihrer Energie dafür aufwenden, ihr Membranpotenzial aufrechtzuerhalten
• Aus Sicht eines Laien ist es interessant, Fälle zu sehen, in denen auch außerhalb von Neuronen Effekte über große Distanzen auftreten. Ein aktueller Quanta-Artikel über Astrozyten geht in eine ähnliche Richtung
  Artikellink
• Schon lange ist bekannt, dass manche Reflexe ohne bewusste Entscheidung ablaufen, etwa wenn man bei Berührung von etwas Heißem die Hand zurückzieht. Auch diese Reaktionen nutzen elektrische Signale, daher frage ich mich, was an dieser Forschung wirklich neu ist
  • Dabei geht es nicht um elektrische Reize, die Muskeln bewegen, sondern um einen Mechanismus, der den Gesundheitszustand von Zellen signalisiert, damit gealterte oder kranke Zellen aus dem Gewebe ausgestoßen werden
  • Das nennt man Withdrawal reflex. Die „Entscheidung“ wird auf Ebene des Rückenmarks getroffen. Man kann das Gehirn als eine riesige Erweiterung des Rückenmarks betrachten. Ganglion ist ebenfalls relevant