Калиевые пруды и натриевые океаны. Физические свойства протоклеток

[Vladimir Matveev]

Тезисы, подготовленные для международный конгресса "Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине".
http://www.biophys.ru/congress-2015/

ФАЗОВОЕ СОСТОЯНИЕ, ВОЗНИКАЮЩЕЕ БЛАГОДАРЯ СОРБЦИОННЫМ СВОЙСТВАМ БЕЛКОВ, КАК ФИЗИЧЕСКАЯ ОСНОВА ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПРОТОКЛЕТКИ И ЕЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ

Матвеев В.В.
Институт цитологии Российской академии наук, 194064, Санкт-Петербург, Тихорецкий пр., 4.
E-mail: vladimir.matveev @ gmail.com, персональный сайт: http://vladimirmatveev.ru

Ключевым событием в происхождении жизни явилось возникновение внутриклеточной среды, которая обеспечивает необходимые условия для протекания жизненных процессов. Для решения проблемы происхождения такой среды в литературе имеется два принципиально различающихся подхода.

Стандартная физическая модель клетки, общепринятая в настоящее время, объясняет возникновение внутриклеточной среды свойствами поверхностной мембраны, основу которой составляет липидный бислой со встроенными в него белками различного функционального назначения. Минимальный набор структур и функций мембраны сводится к следующему списку: (1) липидный бислой выполняет барьерную (изолирующую) функцию; (2) ионные каналы специфичные для ионов Na+; (3) ионные каналы, способные пропускать только ионы K+; (4) белковые молекулы, способные перекачивать упомянутые ионы против их концентрационных градиентов – Na,K-насосы, нуждающиеся для своей работы в непрерывном притоке энергии. Таким образом, с позиций стандартной модели, происхождение жизни сводится к проблеме происхождения поверхностной мембраны, способной своей работой обеспечить необходимые для жизни условия внутриклеточной среды.

К недостаткам стандартной модели относятся следующие: (1) отсутствуют какие-либо экспериментальные данные о способности полипептидов, спонтанно возникающих в условиях первобытной Земли, осуществлять функции ион-специфических каналов; (2) в процессе спонтанной полимеризации аминокислот, проводимых в лабораториях на протяжении десятилетий, так и не был получен полипептид, обладающий свойством перекачивать те или иные ионы через липидную мембрану против их концентрационных градиентов; (3) сложная организация полифункциональной мембраны протоклетки предполагает необходимость синтеза и сборки всех ее элементов в условиях, обладающих технологическим алгоритмом. Таким образом, стандартная модель оказалась не в состоянии предложить сколько-нибудь понятный механизм происхождения жизни и не располагает необходимыми экспериментальными данными в свою пользу.

Согласно другой модели, клетка является не каплей раствора, отграниченного от внешней среды мембраной, а фазой, физическое состояние вещества которой отличается от физических свойств среды. Свойства такой фазы определяются сорбционными свойствами белков с развернутой конформацией, важнейшими из которых являются их способность связывать воду клетки и основной внутриклеточный катион – K+. Адсорбция воды на молекулярной поверхности белка является полимолекулярной (многослойной) и поэтому способна обеспечить связывание большей части внутриклеточной воды. Адсорбционные силы усиливают водородные связи между молекулами адсорбированной воды, поэтому такая вода не растворяется в воде окружающей среды, не смешивается с ней. Адсорбированная вода обладает меньшей растворяющей способностью, поэтому растворенным веществам термодинамически невыгодно находиться в фазе адсорбционного слоя, и они вытесняются из клетки (или протоклетки) в объемную воду. 

Фазовая модель клетки, как основа для объяснения происхождения жизни, обладает следующими полезными свойствами: (1) на первобытной Земле были необходимые условия для спонтанного образования полипептидов; (2) полипептиды адсорбируют воду, образуя биофазную систему – протоклетку; (3) адсорбированная вода вытесняет из протоклетки все вещества (включая ионы Na+), если они не связаны с белками и находятся внутри клетки в свободном состоянии; (4) протеиноиды Фокса, организованные в микросферы, способны аккумулировать ионы K+, доказывая тем самым способность полипептидов связывать этот важнейший для внутриклеточной среды катион. Необходимо подчеркнуть, что каждое из перечисленных утверждений является экспериментальным фактом. В результате фазообразующих свойств белка, внутри фазы, то есть внутри протоклетки, образуется особая, внутриклеточная, среда, необходимая для протекания физических процессов и химических реакций, присущих жизни. Для поддержания концентрационных градиентов K+ и Na+ такая биофазная система не нуждается в энергии. Однажды возникнув, протоклетка дала начало эволюционному древу, которое породило величайшее разнообразие типов клеток, но при этом физические свойства клетки как фазы оставались неизменными на протяжении миллиардов лет.

В отличие от стандартной модели, фазовая модель клетки основана на известных физических принципах, имеет прочные экспериментальные доказательства своих основных положений и поэтому нуждается в интенсивном изучении. До сих пор проблему происхождения жизни пытались решить на основе стандартной модели. Пришло время расширить поиски, включив в практику научных исследований методологию фазовой модели.

[Nur]

Уважаемый Владимир Васильевич, доброго Вам здоровья!

Затухла тема, а я все ждал, что кто-нибудь наберется сил продолжить ее...
По большому счету, смысл нашего обсуждения сводится к попытке реконструировать наиболее ранние этапы биологической эволюции, но мы увлеклись спором о том, что первичнее - пассивный транспорт в мембранах или активная работа против градиента... Свою точку зрения я на это высказал и повторюсь, что активный транспорт - более позднее изобретение.
С другой стороны, мы, практически, ни словом не обмолвились о возможной схеме эволюции на этапе возникновения и существования калиевых прудов...
По идее, они должны были организовываться из отдельных элементов, что-либо в их объеме должно было подвергаться трансформации, а затем, будучи вынесенным в океан, такой "пруд" должен был распадаться на составляющие, обогащенные новыми свойствами. Последние могли занимать различные эшелоны в толще "натриевого" океана и часть из них вновь выносилась на сушу, где могла принять участие в создании очередного калиевого пруда...

Владимир Васильевич, этот посыл не претендует на идею о возможной схеме эволюции, а является предложением оживить дискуссию в предлагаемых рамках ради достижения хоть какого-нибудь рационального выхлопа от наших обсуждений...
 

[Nur]

Уважаемый Владимир Васильевич,
в связи с этим вопрос - могла ли организованная у поверхности мембран вода содавать/поддерживать/изменять электростатический заряд...
Возможно ли, каким-либо образом, предположить его величину и характер ее изменения в процессе развития протоклеток и калиевых прудов, а также - результат взаимодествия протоклеток между собой...
И могли ли протоклетки, в данном случае, благодаря электростатике, имитировать кооперативное и "паразитическое" поведение, подобное тому, которое, по мнению отдельных специалистов, предшествовало возникновению полового размножения у эукариот...

[Nur]

Просто Вы, уважаемый Владимир Васильевич, материалом о фазовом состоянии словно вбили последнюю точку в содержание темы. Я поддерживаю Вас в том, что было сказано о свойствах протоклеток, но каким образом это может влиять на картину первейших этапов биологической эволюции - почти ничего не сказали...
Поэтому я, крайне осторожно, с оглядкой, можно сказать - намеком, заикаюсь о продолжении полемики...

[Vladimir Matveev]

Уважаемый Nur! Благодарю Вас за интерес к теме.
Свою статью о калиевых прудах я представил журналу "Origins of Life and Evolution of Biospheres" (http://www.springer.com/life+sciences/journal/11084) и получил один положительный отзыв и два отрицательных (статью отклонили). Хотел бы представить рецензии с моими комментариями внимаю заинтересованных лиц (файл приложен). Возможно, это оживит нашу дискуссию на какое-то время.   

[Nur]

Уважаемый Владимир Васильевич, добрый день!

Несколько раз перечитал рецензии, подумал - и хочу выразить Вам свою личную признательность за Вашу активность в сети, которая, в конце концов, привела Вас на этот форум.
Все, что было сказано в данной теме, лично для меня явилось подтверждением знаменитого вывода о том, что энергия и масса переходят друг в друга согласно всем известной зависимости о Е равной произведению М на С в квадрате. И ключевой момент в этом переходе - скорость, а точнее, смена скорости прямолинейного движения на скорость обработки входящих сигналов, то, что образно можно сравнить с явлением замедления времени, т.е. превращения того, что побуждает измениться в то, что сопротивляется всяким изменениям.
Именно в этом заключается секрет возникновения гигантизма в мире организмов, совпадающий по времени с окончанием очередного периода (мы это, кстати, обсуждаем в соседней теме).
И система двух фаз, разделенных плоскостью мембраны - представляет из себя воплощенную иллюстрацию проекций в переходе от точки к объему, инвариантно проявляющуюся в каждом эволюционном движении.
При этом мы уже говорили о батарейках, аккумуляторах, аккумуляторных батареях и ионисторах, последовательность которых характеризуется возрастающими значениями электрического сопротивления - опять-таки, очень похоже на упомянутый ряд проекций, что наводит на мысль о сходстве чего-то подобного с замедлением... Не здесь ли стоит поискать определение информации, которое будет, скажем так, более "физично" что-ли...
И, к сожалению, похоже, что подтверждаются мрачные идеи некоторых технократов о скором (по геологическим или историческим меркам) исчезновении биологической материи на Земле в связи с тем, что, по сути своей жизнь - это всего лишь способ превращения лишенной разума неживой материи в искусственный интеллект. Очень похоже на положение видимой части спектра между ультрафиолетовым и инфракрасным излучениями. Случайно ли мы (жизнь) оказались непосредственно связаны с этой частью спектра. С оговоркой, что линейный оптический спектр поменялся на плоскость бислойной мембраны... Понятно, что единственный способ продлить существование человечества и биосферы - поначалу не пытаться воспрепятствовать появлению искусственного интелекта, а расселиться среди звезд, опережая недружественные инициативы ИИ...
И еще - элементарная электрическая цепь, машинка Фарадея, динамо и множество других аналогий организмам и сообществам. И геометрия Минковского, дополненная плоскостью с максимально возможным количеством источников информации в ее сечении (экспоненциально убывающим в прошлом и будущем), между конусами (очень похоже на картинку демографического перехода, о котором также говорилось на форуме).
С этими идеями я, в свое время, пришел на форум, потихонечку тестировал их, занимаясь поисками того, кто может разделить подобные взгляды и даже привести их в более "физичный" вид...
И я очень рассчитываю, что мне удастся это сделать с Вашей помощью (естественно, при наличии Вашего благорасположения), потихоньку приводя то лирическое отступление, которое я сделал выше в более "наукообразный" вид, в следующих постах...

С самыми искренними заверениями в личном почтении к Вам,
Nur. 
 

[Vladimir Matveev]

Здравствуйте, Nur! Спасибо за моральную поддержку. Постараюсь помогать Вам в меру своих сил.

[Nur]

Уважаемый Владимир Васильевич, доброе утро!

Я полностью согласен с Вашим тезисом о "...необходимости значительного расширения сравнительных исследований живых клеток и их моделей...", с особым акцентом на моделирование.
По моему убеждению, такое моделирование должно ответить на вопрос о наличии в процессе организации жизни этапов, имитирующих различные агрегатные состояния вещества. На наличие различных фаз, по логике, может указывать не раз воспроизведенное мнение о том, что зарождение жизни связано с одним интервалом температур и давлений (вблизи, например, источников тепла), а существование многоклеточных организмов - с другим (гораздо ближе к точке замерзания воды).   
 

[Nur]

Неплохо было бы также найти для биологических объектов аналогии понятиям о порядках в физике. Те же агрегатные состояния связаны, например, с различными вариантами порядка. В частности, твёрдое тело обладает как трансляционным, так и ориентационным порядком. Последний, кстати, означает, что пространственная ориентация объектов, слагающих тело, скоррелирована и при этом обнаруживает последовательно выделяемые степени охвата таких объектов; обычно ближний и дальний типы порядка.

[Vladimir Matveev]

Подобного рода СРАВНИТЕЛЬНЫЕ исследования не проводят потому, что уже имеющиеся результаты такого рода прямо противоречат "мембранным" механизмам регуляции ионного состава живой клетки. Как только такие зубодробительные результаты получают, соответствующие клеточные модели сразу объявляют не имеющими никакого отношения к живым клеткам. Коллега из Принстона (а не из Зимбабве) так сразу и написал мне: микросферы Фокса - неадекватная модель. В ответ я задал три вопроса:
1) какая из известных моделей является адекватной?
2) если появится новая модель клетки, как мы узнаем, что она адекватная?
3) каковы вообще критерии адекватности?
Ответа на эти вопросы не последовало.
Ясно и без Принстона, что единственно адекватной моделью для людей с "мембранным" мышлением будет модель, обладающая полнофункциональной мембраной: с ионспецифичными каналами и натриевым насосом. Однако за 65 лет экспериментов по проблеме происхождения жизни адекватной модели так никто и не получил.

Пока нет мембраны с насосами и специфичными каналами, нет внутриклеточной среды.
Пока нет такой среды, нет жизни.
Нет жизни, нет молекулярной эволюции.
Где будет протекать происхождение натриевого насоса, в синем море? Смешно!

[Vladimir Matveev]

Неплохо было бы также найти для биологических объектов аналогии понятиям о порядках в физике. Те же агрегатные состояния связаны, например, с различными вариантами порядка. В частности, твёрдое тело обладает как трансляционным, так и ориентационным порядком. Последний, кстати, означает, что пространственная ориентация объектов, слагающих тело, скоррелирована и при этом обнаруживает последовательно выделяемые степени охвата таких объектов; обычно ближний и дальний типы порядка.

С физической точки зрения, живую клетку необходимо рассматривать как фазу (как крупинки льда в воде, например). Только клеточные модели, обладающие свойствами фазы, могут рассматриваться как адекватные модели. Липосомы - модель неадекватная, так как физическое состояние ее содержимого не отличается от физического состояния окружающей среды. И там, и там простой раствор ионов. И там, и там вода свободная (не адсорбированная).

[Nur]

Параллельно важно выяснить, как агрегатные состояния могут переходить одно в другое. Например, могу предложить следующий образ такого моделирования. Скажем, вдруг выяснилось, что при высоких значениях энтальпии локусы РНК, до того существовавшие независимо (ионизированными) оказались связанными с определенными белками (рекомбинация). Потом ряд подобных пар оказались в каком-то ограниченном пространстве и, в конце концов, возник ансамбль молекул, способный уже к тому, что можно назвать подобием размножения, но подверженный заметной модификации (конденсация). Наконец, возникает многоклеточность, в развитии которой появляется трансляционный порядок, благодаря которому, клетки приобрели способность сохранять корреляции не только по месту положения, например, в ходе онтогенеза (пространственная трансляция), но между отдаленными по времени поколениями (что-то подобное замерзанию или кристаллизации). Наконец, когда скорость обработки информации достигает величин, близких к предельным, появляется развитая способность мыслить (возможно, разум, как форма, подобная конденсату Бозе-Эйнштейна), в результате чего создаются образы, взаимодействие которых осуществляется без трения и рассеяния тепла (возможно, искусство как процесс, имитирующий явление сверхтекучести).     

[Nur]

Исследователи с т.н. "мембранным" мышлением, возможно, живут в одной "фазе" и не могут преодолеть границы раздела "фаз", им это кажется сложным, требующим детализации и специализации на какой-нибудь отдельной детали строения мембраны. В своей деятельности они обнаруживают ближний порядок трансляции, поэтому и ищут тех, кто обладает таким же фазовым порядком. Это их способ выживания в научном мире и не стоит тратить время на споры с ними, лучше прислушиваться к их замечаниям, касающихся Вашего подхода к решению проблемы. Эти замечания могут оказаться весьма дельными, поскольку исходят от людей, обладающих глубокими знаниями в определенной, пусть и узкой области. Но мир науки не ограничивается только такими специалистами, в нем есть и те, кто с энтузиазмом воспримет то, о чем Вы говорите. Никто не утверждает того, что поиски таких энтузиастов принесут быстрые результаты. Они вполне могут оказаться (нет, не "гласом вопиющего в пустыне") подобными поискам "братьев по разуму". (Замечу по пути, что, может быть, одного энтузиаста Вы тут уже нашли, пусть даже, на данный момент, не являющегося профессиональным ученым).
В этом мир науки подобен реальному физическому миру, где различные агрегатные состояния существуют во взаимодействии друг с другом. В экосистемах высокого уровня сохраняется подобное разнообразие условий существования организмов, отграниченных термодинамическими пределами.
Поэтому я убежден, что клеточные модели должны учитывать возможность перехода из одной фазы в другую.   

[Vladimir Matveev]

Параллельно важно выяснить, как агрегатные состояния могут переходить одно в другое. Например, могу предложить следующий образ такого моделирования. Скажем, вдруг выяснилось, что при высоких значениях энтальпии локусы РНК, до того существовавшие независимо (ионизированными) оказались связанными с определенными белками (рекомбинация).

Прикрепил к этому сообщению статью из сборника, в которой разделение фаз рассматривается как механизм компартментализации в ядре. Компартментализация без мембран? Еще лет 10 назад за это били по почкам!

[Nur]

Даже перечень разделов и глав в содержании прозвучал для меня интригующе.
Уважаемый Владимир Васильевич, мне понадобиться время, чтобы осмыслить хотя бы часть материала...