Калиевые пруды и натриевые океаны. Физические свойства протоклеток

Автор Vladimir Matveev, января 28, 2015, 13:55:45

« назад - далее »

Nur

Рискуя совсем сойти в офф-топ, только заикнусь об удивительной комплементарности золота и женщин, их стремлении к оптическом эффектам и эмоциональной компетентности, позволющей им вначале выбирать способных преуспеть, выражусь совсем образно, в "мордобое", но по настоящему влюбляться в "сладкоголосых" мастеров речи (ну чем не потенциал действия в эволюции от тактильных контактов к обмену информацией).

Vladimir Matveev

Уважаемый Nur, благодарю за внимание!
В качестве дополнения, привожу основные положения статьи Matveev V.V. (2015) Comparison of fundamental physical properties of the model cells (protocells) and the living cells reveals the need in protophysiology. International Journal of Astrobiology 0(0): 1–8 (2015):

•   Из-за чрезмерного количества ионов натрия возникновение жизни в океане проблематично.
•   Калиевые пруды, в которых K+ больше, чем Na+, – идеальная среда для предбиологической эволюции.
•   Какие причины могут привести к возникновению натриевой помпы в калиевом пруду, если в нем и так достаточно K+?
•   За десятилетия исследований никому не удалось наблюдать в лаборатории самопроизвольного возникновения натриевого насоса.
•   Биофаза – это система «белок + связанная с ним вода».
•   Растворяющая способность связанной воды ниже, чем у объемной, поэтому концентрация ионов натрия в фазе связанной воды будет ниже, чем в среде. По этой причине биофазе не страшен соленый океан и ей не нужны ни калиевые пруды, ни натриевые насосы.
•   В биофазе возникают особые физические условия, благоприятные для предбиологической эволюции, что делает ее колыбелью жизни. Физические и другие свойства биофазы являются предметом исследования новой научной дисциплины – протофизиологии.
•   Большой калиевый взрыв на Земле – один из ключевых факторов возникновения жизни, который до сих пор ускользал от внимания исследователей.
•   Биофаза способна объединить в себе концепции об «РНК-мире», «ДНК-мире» и «Мире белка» поскольку обладает необходимыми физическими свойствами для предбиологической эволюции биологических макромолекул.


Nur

Вот первое ключевое положение нашей дискуссии. Слой (слои) связанной органической молекулой воды - "биофаза", т.е. фазовое состояние, аналогичное вязкому слою в модели Хиггса со способностью сообщать потенциальным (виртуальным) структурам массу. Вот бы найти в реальности своеобразный аналог бозона Хиггса в биологии... Говоря о калие, я где-то читал о свойствах ионов калия строиться на границе раздела фаз в некие геометрические структуры, но не законспектировал материал и тот пропал втуне. Вам ничего неизвестно о таком, уважаемый Владимир Васильевич... 

Vladimir Matveev

ЦитироватьГоворя о калии, я где-то читал о свойствах ионов калия строиться на границе раздела фаз в некие геометрические структуры, но не законспектировал материал и тот пропал втуне. Вам ничего неизвестно о таком
Увы, Nur, ничего в таком роде мне не попадалось...

Nur

Просто, если это так, то привязка к калию проблемы возникновения жизни определила бы возможность постулировать тезис о сохранении количества белка и нуклеиновых кислот в любой произвольный момент биологической эволюции. Здесь организованные в структуры ионы калия выступли бы как катализаторы процессов организации связи между фрагментами нукленовых кислот и коплементарных им белков на поверхности субстрата, вмещающего эти белки.   

Nur

Под субстратом нужно понимать слой биофазы. Появление комплементарности свидетельствовало бы о сообщении фрагментам (частицам, векторам) некоторой "массы" информации.
Почему калий, то есть, почему я лично с энтузиазмом откликнулся на идею о калиевых прудах...
Очень просто. В детстве я любил бросать в воду различные предметы, наблюдая и сравнивая столбы, которые они вызывают. По пути заметил, что сухие деревяшки и листики остаются на поверхности воды, уже насыщенные водой притопляются. Некоторые из листочков, особенно полусгнившие, задерживались в толще воды, а камешки достигали самого дна водоема.
С возрастом, в связи с детскими забавами, у меня сформировалась аналогия тому, почему калий и натрий исходно концентрируются по разные стороны биологической мембраны. Все различие в плотности. Гидратированный ион натрия в этом смысле оказывается аналогом льда, а более компактный ион калия - камешка. И тот и другой попадают за пределы организованных - поверхностного и придонного - слоев организованной воды. Похоже на мембрану, не правда, ли. Почему я также был рад появлению предположений о зарождению жизни на дне водоемов. Физика дает явлениям самые простые объяснения, почему я по-прежнему стараюсь искать аналогии с ее миром.

Nur

При всем при том количество элементов в природе остается постоянным, почему я и убежден в сохранении исходного количества белков и нуклеиновых кислот.

василий андреевич

Цитата: Vladimir Matveev от декабря 26, 2015, 11:18:50•   Растворяющая способность связанной воды ниже, чем у объемной, поэтому концентрация ионов натрия в фазе связанной воды будет ниже, чем в среде. По этой причине биофазе не страшен соленый океан и ей не нужны ни калиевые пруды, ни натриевые насосы.
Благодарен за рускоязычный текст.
  Не вступаю практически в дискуссию, потому как не смогу охватить хоть толику физиологии клетки. Но теперь выскажусь.
  Факт в том, что при выщелачивании магматических пород натрий выносится в океан, а калий задерживается в слоистых (глинистых) минералах с большим количеством адсорбированной (?) воды. И мы знаем, что для отличия калия от натрия нет характерных химических реакций. У них есть только малое отличие - это размер атома или иона. Именно за счет этого натрий активней связывается со свободной водой. (Для Вас, Нур, можно считать, что натрий легче, а потому и мобильней)
  Слоисто связная вода уже не вода, а квазикристалл. Если в таком квазикристалле допутить равное количество ионов калия и натрия, то по прошествии времени из него уйдет наиболее подвижный элемент, а именно натрий. Более того, если слоистый квазикристалл чист от ионов, то по прошествии времени натрий вытеснит калий из морской воды в квазиструктуру. И не надо выдумывать специальных химических реакций, повторюсь, таких характерных реакций нет, это чисто статистическое свойство - более подвижный элемент займет в своем броуновском движении больший объем, оставив калию "тюрьму" в квазиструктуре.

  По сути, мы имеем дивергенцию в ареале тех ионов, которые практически неотличимы "фенотипически" - сильный натрий, как вожак стаи, выдавливает слабаков на периферию ареала. Этой периферией и является еще не биофаза, а пока органофаза. И не надо мембраны, она появится потом, когда калий-биофаза состоится, как новый "вид".

  Пусть еще не белок, а сгусток аминокислот, взвешенный в тихой заводи океана, уже естественным образом представляет из себя "градиент" одного элемента. Если к такому сгустку приблизится обрывок "более слабой" аминокислоты, то на соответствующей поверхности сгустка внешние окончания -ОН как бы спрячутся внутрь. И это будет означать разрушение слоистой квазиструктуры воды. Калий свободно покинет сгусток, обесценивая градиент, что приведет к втягиванию "слабого обрывка" и слиянию двух квазикристаллических оболочек в одну, с большим радиусом кривизны.
  Увеличение радиуса кривизны эфемерной оболочки чисто физически должно иметь предел прочности (поверхностного натяжения). Следовательно наступит момент, кода сгусток "реплицирует" на части.

  С физической точки зрения здесь важно условие естественного, беззатратного установления градиента концентрации одного элемента. Обесценивание этого градиента есть полезная работа системы над средой. При этой работе в среде возникает область потенциального минимума, в который и устремляются соединяющиеся органические сгустки. А уж кто-кого сожрет, я судить не берусь  :)

Vladimir Matveev

Адсорбция воды является ключевым процессом для образования биофазы. В связи с этим хотел бы обратить внимание на интересную закономерность. Молекула полиэтиленоксида (ПЭО) (–CH2CH2O–)n служит наглядным примером важности постулата теории о значительном влиянии, которое оказывает расстояние между заряженными центрами полимера (атомами кислорода в данном случае) на характер его взаимодействия с водой. ПЭО, в молекуле которого атомы кислорода разделены двумя метиленовыми группами, хорошо растворим в воде и способен связывать и поляризовать ее на своей поверхности. Однако удаление одной метиленовой группы из повторяющегося звена полимера, либо добавление новых делает полимер нерастворимым в воде. Это свидетельствует об особой комплементарности ПЭО и воды, о том, что геометрия расположения атомов кислорода в цепи ПЭО играет важную роль в образовании водородных связей с молекулами воды, а между структурой связанной воды и положением атомов кислорода в полимере имеется стерическое соответствие. 

Vladimir Matveev


Vladimir Matveev

Научный совет РАН по астробиологии и Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН приглашают Вас принять участие в работе 2-ой Всероссийской конференции по астробиологии: «Жизнь во Вселенной: физические, химические и биологические аспекты». Конференция будет проходить c 5-го по 9-е июня 2016 г. в г. Пущино (Московская область).
http://cryosol.ru/astrobiology-2016.html

Vladimir Matveev

ПРОГРАММА
2-ой Всероссийской конференции по астробиологии
ЖИЗНЬ ВО ВСЕЛЕННОЙ: ФИЗИЧЕСКИЕ, ХИМИЧЕСКИЕ И БИОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ
Пущино, Россия 5-9 июня 2016 г.
http://cryosol.ru/images/worksfoto/konferetsii/astrobiology2016/programmastr2016.pdf

deepsoul

Пишу в эту тему, так как не нашел другой более приближенной к вопросу K/Na АТФ насоса.
У меня есть возможно 2 абсолютно глупых предположения:

1. Прочтя несколько статей по вопросу я не уловил принципиальность поиска земных условий для зарождения процесса. Можно предположить, что во время какой либо бомбардировки или во время столкновения, приведшему к образованию Луны, на землю попала значительная часть воды, обогащенной калием, или калия в каком либо растворимом виде на территорию прилегающую к земным натриевым средам. Или наоборот. Образовалось естественное соприкосновение сред со значительным градиентом концентрации К/Na.

2. Насосы могли образоваться самостоятельно, как независимые машинки, работающие по принципу похожему на "выворачивание наизнанку" (это образное представление). При придании энергии в определенное место органическая молекула выворачивалась наизнанку (совершало работы приводя себя в начальное состояние). На внешней стороне могли фиксироваться ионы калия и натрия, которые при выворачивании уходили внутрь, а на наружной стороне отсоединялись. Так они и крутились сами по себе. Вероятно, они были побочным продуктом уже существующего репликационного процесса, а "механические" свойства проявились именно в момент, когда часть ионов калия в среде стала заменяться на ионы натрия (или наоборот).
И тут случилось самое важное действие - градиент среды задал статистически направленное движение таких вот машинок. Это приводило к тому, что они откачивали ионы определенного вида из центра производства их самих, они как-бы клубились около таких центров.
В процессе эволюции они застряли в мембране, которая не давала им "выворачиваться". Будучи побочным продуктом, они "мешали" будущей клетке своей кучностью, в итоге система сбалансировалась. 

Основной смысл - насосы были (и есть) независимые биомеханизмы, которые двигаются в среде вдоль Na/K градиента, их форма не позволяет им проникнуть через мембрану и они становятся ее частью "застревая" в ней, не теряя своей функции. В процессе эволюции они могли упроститься.
Вот тут про молекулярные роторы, которые создают движение: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%BE%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%83%D0%BB%D1%8F%D1%80%D0%BD%D1%8B%D0%B5_%D1%80%D0%BE%D1%82%D0%BE%D1%80%D1%8B

Может быть поискать механику в белках для жгутиков. Можете направить на работы по молекулярным механизмам?

Why do some people think so little?

Vladimir Matveev

#253
Массовая доля натрия в земной коре составляет 2,64%, калия — 2,60%. Соответствующие цифры для морской воды: 1,05 и 0,038% (Na/K = 27). Это расхождение объясняется тем, что K+ (в присутствии Na+) избирательно связывается различными породами, например, глинами. Никаких трудностей с происхождением калия наука не испытывает.

Что касается натриевого насоса, то со времени возникновения экспериментальной астробиологии (в 1950-х годах) не было показано самопроизвольного возникновение этого насоса. В таких случаях фантазия ничем не ограничена. Подробнее о насосе и претензий к нему читайте здесь: http://www.bioparadigma.spb.ru/files/Matveev-2016-Protophysiology.Rus.pdf

Видео, посвященное 2-ой Всероссийской конференции по астробиологии. Москва, Пущино, 5-9 июня 2016.
https://youtu.be/iH7FM0YfRvc

Nur 1

Уважаемый Владимир Васильевич, доброй ночи!

Не смогли бы Вы перепостить ссылку, приведенную в предыдущем Вашем ответе...
При активации имеющейся ничего, по крайней мере, у меня, не загружается...

С почтением,
Nur.