5437. Аква инкогнита: как вода нарушает правила жидкостей и ставит науку в тупик
Если бы свойства воды были иными, жизнь оказалась бы невозможной
Что мы представляем, когда слышим слово «жидкость»? Наверняка воду. Однако она не обычная, а аномальная жидкость, нарушающая многие закономерности, присущие другим жидкостям. Если бы не это обстоятельство, мир был бысовершенно другим.
( Read more... )
Известны три агрегатных состояния вещества, и это в полной мере относится к воде, - твердое, жидкое и газообразное. Так вот ни то, ни другое, ни третье не могут претендовать на внутреннюю среду жизни, они абсолютно неприемлемы для нее. Твердое - ввиду того, что его атомы слишком жестко связаны друг с другом и недалеко колеблются около своего центра. Жидкая, а тем более, газообразная фазы, напротив, слишком неустойчивы относительно тепловых флуктуаций. В них происходит беспорядочное движение атомов, что исключает саму возможность существования и стабильного функционирования сложных молекулярно-биологических систем.
Живое вещество по определению не может быть как жестким, так и свободно текучим, оно должно быть в меру подвижным и лабильным. И, следовательно, только относительно вязкое состояние воды, к которому применимо понятие «консистенция», пригодно для жизни. Но как же достигается это совершенно необходимое для жизни качество?
На удивление очень просто и технически на редкость эффективно - с помощью полимерных микронитей. Эти нити настолько тонки, что отношение длины к поперечным размерам идет у них на сотни тысяч и даже на миллионы, и в силу таких пограничных между макро- и микромиром размеров они находятся еще во власти законов классической физики, но в то же время способны порождать квантовые эффекты. Оказавшись в водной среде даже в ничтожно малом количестве (сотые доли процента от ее массы), полимерные микронити соединяются друг с другом и переплетаются во всех направлениях, собираясь в очень густую трехмерную сеть-паутину. Жидкая вода при этом удивительным образом преображается. Застряв в ячейках сети, она теряет присущую ей подвижность, лишается текучести и приобретает вдруг (в положительном интервале температур) непривычные для жидкости свойства твердого тела: жесткость, упругость, пластичность, способность сохранять заданную ей форму и т.д.
Иными словами, вода переходит в совершенно иное, по сути дела четвертое агрегатное состояние, среднее между жидким и твердым. Она приобретает благоприятную для жизни консистенцию!
Именно в таком качестве существует ныне цитозоль (он же клеточный матрикс, или гиалоплазма, или внутренняя среда жизни) - основная по массе и объему часть каждой живой клетки. При специальных методах исследования цитозоль (его нетрудно выделить в чистом виде путем последовательного центрифугирования гомогенатов клеток) выглядит как густая трехмерная сеть, которая составлена из тонких (2 - 3 нм) фибрилл, беспорядочно пересекающих цитоплазму в различных направлениях и охватывающих все внутренние образования: микротрубочки, различного рода нитевидные структуры, мембранизированные органеллы и цитоплазматическую мембрану. Ячейки сети заполнены иммобилизованной водой, в местах пересечения ее нитей сосредоточены группы рибосом.
Reply
Однако в лабораторной практике, посвященной изучению внутриклеточных биохимических процессов, оперируют, как правило, водными растворами реагентов по традиции, унаследованной от общей химии. Здесь бытуют такие понятия, как концентрация, растворимость, pH и тому подобные параметры, выработанные в свое время применительно к водным растворам. Клеточный транспорт по-прежнему рассматривается как процесс переноса комплекса молекул через водную среду. Но такой воды, которая присутствует в пробирке (где господствуют законы диффузии и беспорядочного теплового движения молекул, где все тяжелое самопроизвольно оседает, а легкое всплывает на поверхность и т.д.) в живой клетке на самом деле нет.
Текстурально (лат. texo - тку. сплетаю) иммобилизованная внутриклеточная среда по своим физическим свойствам радикально отличается от водных растворов молекулярных соединений, о которых написаны все учебники по биохимии. В ней значительно нарушено соотношение сил в сравнении с тем, что наблюдается в пробирке. В частности, гравитация мало ощутима (и это очень важно для жизни, в противном случае внутриклеточные структуры неизбежно и постоянно осаждались бы из раствора, что накладывало бы существенные и трудно преодолимые ограничения на возможность ее существования и эволюции).
А не происходит это потому, что все внутриклеточные элементы, субъединицы и агрегаты (даже те их них, которые традиционно считаются водорастворимыми) не плавают свободно в жидкости, как это имеет место в экспериментальных водных растворах полимеров, а преимущественно закреплены на нитях цитоскелета (они буквально застряли в его сетях). Что не может не сказаться самым существенным образом не только на их подвижности и положении в пространстве, но и на самих реакционных способностях.
Более того, структурные соединения в клетке не диффундируют свободно к пункту назначения, а принудительно (на поводке, на привязи) доставляются точно по адресу (в нужное время и в нужное место). Транспортировку осуществляют специальные моторные белки, например, миозины и кинезины. Используя энергию АТФ, они передвигаются вместе с прикрепленным к ним грузом по транспортным нитям: актиновым филаментам и микротрубочкам соответственно. И такие канатные дороги пронизывают вдоль и поперек всю клетку.
Наконец, следует учитывать и то важное обстоятельство, что в цитоплазме очень мало повторностей биологических молекул определенного вида, тогда как все выводы классической химии приобретают смысл и вероятностное значение только на фоне больших чисел.
А коли так, реальная химия клетки весьма далека от той, что излагается в университетских курсах. Это нечто принципиально иное. Это во многом еще не понятая нами химия текстурально иммобилизованных макромолекулярных соединений, несомненно, представляющая одно из специфических (атрибутивных), но не получивших соответствующего их значимости научного понимания, качеств жизни.
Reply
Leave a comment