Калиевые пруды и натриевые океаны. Физические свойства протоклеток

Vladimir Matveev · апреля 02, 2015, 09:02:06

ЦитироватьКстати, если быть точным, то, обычно, определяют, что живая бактериальная клетка способна накопить ионы калия в саркоплазме до концентрации 10^-1 моль. При этом его концентрация во внешней среде составляет обычно 10^-4 моль, т.е. в тысячи раз меньше. На производство такой работы, как показывают расчеты, клетка должна затратить энергию, равную почти 803 ккал/моль или около 35 эВ. При учете, что при гидролизе одной молекулы АТФ выделяется примерно 12,5 ккал/моль (около 0,54 эВ), т.е. на 1 акт создания сходного градиента концентрации потребуется осуществить гидролиз 64 молекул АТФ.

В этих расчетах не хватает важной детали: сколько таких актов требуется в единицу времени, сколько ионов K+ закачивается, скажем за минуту? Миллион? Что на это скажет цикл Кребса?

василий андреевич · апреля 15, 2015, 00:04:39

До письма.
Сожалею, что весной и летом не могу уделять достаточно времени форуму. Не знаю продержится ли тема до осени...
А ведь могла бы звучать, как калиевая клетка и натриевая кровь - важнейшая тема, с потенциальным выходом на широкие модели эволюционных принципов.

Цитата: Vladimir Matveev от апреля 02, 2015, 08:50:42
Адсорбционный слой воды, однажды образовавшись и вытолкнув в окружающую среду Na+, не требует постоянного притока энергии для поддержания образовавшегося натриевого градиента.

Именно это-то и прекрасно. Лично я был крайне удивлен (в своей статистической модели), что удержание "менее активного" элемента может быть объяснено за счет выхода "более активного" за пределы некой экосистемы. В нашем случае экосистема - это адсорбент с адсорбатом. И эта экосистема построена по типу многоуровневости.
Скорее всего надо понимать так, что натрий+ связывается еще на верхних уровнях организации адсорбата, потому для калия+ проявляется возможность проникнуть на нижние уровни.
Для океана (крови) с ее обилием хлора- "до лампочки", что калий, что натрий. Но для структурирующейся вокруг белка воды крайне важно повысить энтропию формации (система+среда) за счет рассеяния натрия (а не тепла), проникающего в клетку совместно с калием и органикой.
По сути выходит, что в протоклетке, у которой еще не сложилось механизма типа АТФ, натрий+ может играть роль агента, сопровождающего органику из океана в клетку. Тогда за приятием натрий-органического соединения будет следовать естественный этап концентрации органики и связывание натрия с водой на верхних уровнях организации адсорбатива. Океан же и выведет натрий за счет осмоса.
Иначе говоря, работает не столько протоклетка над созданием самой себя, сколько океан, как бы вынужденный избавляться от гидрофобной органики путем вывода ее в протоклеку. Дело же протоклеки построить свою мембрану таким образом, что бы наружу выставлялись большей частью гидрофильные окончания.
Вот и получаем отрицательную работу океана-среды. А отрицательная работа - это уже и потенциальная ниша в среде, и отрицательная энергия активации в системе.

василий андреевич · апреля 15, 2015, 00:14:43

Цитата: Nur от апреля 02, 2015, 07:29:07
Значит, фононы могут выступать и в роли ретрансляторов...

Уважаемый Нур, думаю с фононной "теорией" следует обождать. Рано. Ведь потенциал действия уже сравним с движением информации, как кодированного для конкретных "целей" сигнала.
Фонон - это частица, осуществляющая взаимодействие внутри кристаллов, в том числе и органических. Удобнее всего эту частицу воспринимать как "сгусток тепла". Фононная теория наилучшим образом объясняет миграцию или стягивание дислокаций к единому центру. Образование пор определенного размера в мембране - это тоже "стягивание" дислокации. Так что, да, фононы вполне могут выступать в роли ретрансляторов. Но вот только чего? Каких волн-солитонов? А ведь солитон - это уже не волна, это самостоятельная частица макроскопических размеров.

Vladimir Matveev · апреля 15, 2015, 08:49:55

Профессор Джеральд Поллак о "четвертой фазе" воды - адсорбционном слое воды у гидрофильных поверхностей:
https://youtu.be/jb5Yx_xQaNU
С переводом на русский.

василий андреевич · апреля 17, 2015, 15:21:24

Цитата: Vladimir Matveev от апреля 15, 2015, 08:49:55
https://youtu.be/jb5Yx_xQaNU
С переводом на русский.

Со структурами воды очень опасно влезть в фантазии типа памяти и прочей "гомеопатии".
Электроотрицательность водного адсорбата - это то, что должно хоть частично объяснить устойчивость е-воды. По-видимому, здесь дело не в "металлических" свободных электронах по типу графита, а в отторжении протона с образованием кислородных мостиков внутри структуры. И тогда эта структура уже не гексагональная двухмерность, а трехмерный каркас. Но дело даже не столько в этом.

Главный парадокс связан с противоречиями микро- и нано-мира, как альтернативы представлениям классической физики. Более того, те же противоречия высвечиваются в экосистемных организациях живого. Поллак вскользь высказался о "социальности" четвертого состояния. Я же еще лет двадцать назад попался на "удочку социальности" процессов эволюции углей в составе земной коры. И эти "социальности" необъяснимы с позиции классики.
Самое поверхностное - это сравнить "социальности" с квазикристаллами, порядок которых заключается в чередовании зон беспорядка, как емкостей для тепловой кинетики. Именно в этих емкостях варится та структура, которая и будет видима как структура жизни.
Вода еще более фантомный "организм", нежели квазикристалл. Можно сказать, что надмолекулярная вода пребывает в состоянии постоянной смены структур внутри кластера. Именно эта смена состояний в их взаимодействии и определяет ее максимально возможную энтропию. Более того, при температуре выше 30гр.Ц ее энтропия повышается еще более за счет срыва в самопроизвольную турбуленцию. При этом резко возрастает теплоемкость.
Говоря иначе, уникальность воды в том, что любое инородное включение понижает энтропию кластера. И кластер трансформируется таким образом, что бы вновь повысить энтропию уже системы вода-включение. А это уже надстройка нового уровня организации. Биосфера функционирует как надстройки новых уровней за счет выпадения "в осадок" дегенеративных уровней. Но об этом надо бы отдельно.

У нас белок, как нано-пористая структура, способная почти механически трансформироваться под влиянием водного адсорбата, а адсорбат трансформируется под воздействием изменений в белке. Имеем некий причинно-следственных контур, "бомбардируемый" тепловыми флуктуациями. Более стойким (выживаемым) будет тот контур, энергия активации которого будет выше. Но не настолько выше, что бы стать как-бы косной структурой. Любой акт распада - это выброс разрушающего тепла. Но цепной положительной обратной реакции не происходит. Выделяющееся тепло поглощается очередной областью беспорядка квазикристаллической структуры.
Итак, классический подход к эволюционизму - это утилизация, так называемой, свободной энергии, в конце концов от Солнца. И бессмысленно это отрицать. Тут же и опыт Поллака о увеличении зоны е-воды под действием света. Идти еще далее, значит, сказать, что Свет от божьей воли или большого взрыва.
Теперь не классический эволюционизм: от случайностей флуктуаций, от нулевых биений самоорганизующихся в частицы-волны, как гармоники. При этом дисгармоники выводятся в виде отходов. Но именно отходы одного "производства" являются "свободной" энергией для тех структур, которые способны их утилизировать. Таким образом, "Поллаксовское" увеличение е-зоны может произойти не только от притока света, но и от выбросов отходов функционирования системы белок-вода. И в этой системе начнутся те электро-статические и -динамические явления, которые по природе будут сравнимы со спонтанными потенциалами действия.
Т.е., мы возвращаемся к сфере Фокса - потенциалу действия, как выбросу излишков кинетической энергии, накапливаемой органической глобулой за счет беспричинных тепловых флуктуаций. Вот по такой дорожке рассуждений я и пытаюсь идти, постоянно опасаясь, как бы не изобрести вечный двигатель.

Vladimir Matveev · апреля 18, 2015, 08:19:55

ЦитироватьЭлектроотрицательность водного адсорбата - это то, что должно хоть частично объяснить устойчивость е-воды. По-видимому, здесь дело не в "металлических" свободных электронах по типу графита, а в отторжении протона с образованием кислородных мостиков внутри структуры. И тогда эта структура уже не гексагональная двухмерность, а трехмерный каркас. Но дело даже не столько в этом.

Водородные связи между молекулами воды в адсорбционном слое более прочные, чем в объемной фазе и это делает этот слой сравнительно плохим растворителем. В результате, из двух ионов, ОН- и Н3О+ последний эффективней вытесняется из адсорбционного слоя, т.к. имеет бОльший объем. После установления диффузионного равновесия, концентрация ОН- в адсорбционном слое больше, чем Н3О+ и фаза адсорбата приобретает отрицательный заряд по отношению к объемной фазе. Есть ли в этом рассуждении ошибки?

василий андреевич · апреля 18, 2015, 19:00:00

В своих рассуждениях я исходил из того, что "плоский гексагональный слой" не может быть устойчивым, если нет связей между слоями. В графите эту устойчивость обеспечивает "лишний" электрон углерода. Кроме того, необходим механизм защиты от тепловых флуктуаций, а это обычно обеспечивается "надломами" и сростками по дислокациям. Именно "хаос" дислокаций позволяет структуре без разрушения быть одновременно и косной, и пластичной.
Потому и рискнул говорить не просто -ОН, а о типе Н-О-О-(К,Н). Именно в таком раскладе К+ может стать элементом, принимающим на себя ответственность за тепловую кинетику, не нарушающую структуру водного кластера.
Разумеется, Н+ не может быть свободным. А вот с чем ему легче связаться, с другим ли Н+ или водой, я судить не берусь. Ведь Н3О+ не является сколько-нибудь устойчивой молекулой(?). Положительная же электростатика вокруг кластеров вполне может быть какой угодно природы, как ответная реакция среды.
Так что я более голосую за выделение свободного водорода, кстати это своеобычный продукт жизнедеятельности анаэробов. Именно выход водорода позволил бы реакциям носить необратимый характер, тогда как -О-О- связи вполне себе устойчивы, хотя и могут "гулять" в межслоевом пространстве.

Vladimir Matveev · апреля 19, 2015, 08:06:45

ЦитироватьРазумеется, Н+ не может быть свободным. А вот с чем ему легче связаться, с другим ли Н+ или водой, я судить не берусь. Ведь Н3О+ не является сколько-нибудь устойчивой молекулой(?).

Насколько мне известно, протон не может существовать в свободном виде из-за очень высокой напряженности электрического поля [E = k(q/r2), q - заряд, r - радиус иона]. По этой причине, думаю, гидроксоний - это форма существования протона в водных растворах.

Коль скоро мы заговорили об электростатических взаимодействиях в адсорбционном слое воды, приведу данные о диэлектрической проницаемости в этом самом слое. Данные, приведенные на рисунке, свидетельствуют о том, что диэлектрическая проницаемость в адсорбционном слое ниже, чем в объемной фазе. Это означает, электростатические взаимодействия в этом слое сильнее.

Правило Кёна: "Два вещества с различной диэлектрической проницаемостью, находящиеся в контакте, заряжаются; вещество с более высокой диэлектрической проницаемостью заряжается положительно, а другое - отрицательно".

Дж. Тайсаев · апреля 19, 2015, 08:51:19

Цитата: Vladimir Matveev от апреля 19, 2015, 08:06:45
Насколько мне известно, протон не может существовать в свободном виде из-за очень высокой напряженности электрического поля [E = k(q/r2), q - заряд, r - радиус иона].

Если бы было так, тогда бы кислая среда была бы невозможна))).

Vladimir Matveev · апреля 19, 2015, 09:23:36

Гидроксо́ний (оксоний, гидроний) НзО+ — комплексный ион, соединение протона с молекулой воды.
Водородные ионы в водных и спиртовых растворах кислот существуют в виде гидратированных или сольватированных ионов гидроксония. Для измерения концентрации водородных ионов используется водородный электрод. Ион гидроксония был обнаружен также в газовой фазе. Этот катион часто используется для представления природы протонов в водном растворе. Также существуют такие катионы, как H5O2+ ,H7O3+, H9O4+.
Стандартная энтропия иона гидроксония составляет 192,25 Дж/(моль·K).
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B8%D0%B4%D1%80%D0%BE%D0%BA%D1%81%D0%BE%D0%BD%D0%B8%D0%B9

Дж. Тайсаев · апреля 19, 2015, 09:37:56

Цитата: Vladimir Matveev от апреля 19, 2015, 09:23:36
Гидроксо́ний (оксоний, гидроний) НзО+ — комплексный ион, соединение протона с молекулой воды.

На всякий НзО+ всегда найдётся свой ОН-

василий андреевич · апреля 23, 2015, 08:25:00

Простите, я буду думать над проблемкой гидроксония, не так то тут все просто. Джабраил, написав оаж минус, которому в соответствие поставлен "лиший" водород у воды, мы успокоимся балансом. Как успокаиваемся тем, что "ясен пень - отбор рулит"...

василий андреевич · апреля 23, 2015, 08:36:10

Где-то тут (что бы не обощать) "устойчивость неравновесия". И срыв к той устойчивости, что будет готова вновь свалиться к неравновесию. Думаю даже квантовая физика будет не подругой. Есть что-то за пределами...
Это Дж. Тайсаев, уже нельзя объяснять, по типу: есть пластичные виды.

Vladimir Matveev · апреля 23, 2015, 08:42:51

Цитироватья буду думать над проблемкой гидроксония, не так то тут все просто

Московские физики против теории Аррениуса (см приложенный файл). Менделеев тоже был противником теории электролитической диссоциации. Аррениус в ответ заблокировал присуждение Менделееву Нобелевской премии.

Vladimir Matveev · мая 19, 2015, 07:49:21

Неофициальный отзыв на мою статью о калиевых прудах.
Здравствуйте, Владимир Васильевич!

Спасибо за присланную статью. Редкий случай - у меня нет критики в ее адрес, я согласен со всеми основными тезисами. Относительно Мулкиджаняна - он приводит данные по превалированию калия только в некоторых паро-газовых выходах на Камчатке. Во всех же водных растворах, которые я изучал на Камчатке, натрий всегда превалирует. Впрочем, Вы правы, для возникновения жизни соотношение этих компонентов не имеет существенного значения.

Я рассматриванию момент возникновения жизни как термодинамическую инверсию. То есть сначала появляется состоящая из простых компонентов негэнтропийная микросистема, а уже потом начинается усложнение ее структур. Такая система по самой своей организации имеет тренд к накоплению избыточной (над-энтропийной) свободную энергии и (био)информации, процессы в ней направлены против энтропии, т.е. на рост энергетических градиентов. Возникает сразу и энтропийный насос, выводящий энтропию, и ионный насос Na,K-АТФаза, по моим представлениям, является одним из его проявлений. Первоначально градиент калий-натрий мог быть и небольшим, но он неизбежно увеличивался в ходе развития системы. Одновременно формировались и сложные макромолекулы, но уже биологического генезиса, не ин Витро, а организованные циркулирующей биоинформацией и над-энтропийной свободной энергией. Если этот подход Вам интересен, то можно посмотреть пару моих статей, которые присоединяю.

Некоторые из вещи из Вашей статьи для меня новые, вероятно, роль протобелков в процессе возникновения жизни действительно недооценена. Сейчас я пишу книгу по происхождению жизни для Springer, и хотел бы сослаться на эту Вашу работу. Если есть подобная англоязычная публикация, пришлите, пожалуйста.

Всего доброго, Компаниченко Владимир Николаевич