Космос внутри нас: Электростанция живой клетки

История науки располагает классическими образцами опытов, простота и наглядность которых разбивала все отрицания скептиков, в полной мере демонстрируя физическую суть явлений. Но, чтобы провести достаточно убедительные опыты по демонстрации выработки клеткой электрической энергии, биохимикам суждено было пройти тернистый путь.

Технология превращения энергии света в электричество никого сегодня не удивляет. Нет ничего сверхъестественного в устройстве фотоэлемента. Но существует естественный фотоэлемент, созданный матушкой-природой.  В нем преобразуют энергию части бактерий под названием родопсин. Данное явление с чистой совестью можно назвать электростанцией живой природы. 

Живая электростанция

Вот вам пример того, что природа намного раньше людей пришла к пониманию широкого спектра возможностей, которые скрывает в себе использование электрической энергии, и применила их для превращения энергии на уровне клеток живых существ и растений.  

Детектив в биохимических тонах

До настоящего времени ученые не выяснили до конца механизм такой линий связи как энергоснабжение клетки. Давно понятно, что клетка поглощает транспортируемые из внешней среды питательные вещества — субстраты — и окисляет их. В ходе этого процесса и выделяется определенное количество энергии. На следующем этапе происходит еще целый ряд мало изученных преобразования, в итоге которых возникают молекулы АТФ—аденозинфосфата. АТФ можно смело назвать универсальной клеточной валютой, унифицированной энергией, которую клетка накапливает, делая «запас» и позже расходует при необходимости.

Все энергетические процессы идут во внутренних мембранах митохондрий (это такие особые образования в клетке). Биохимикам давно известен данный факт. Но каким образом осуществляется трансформация энергии, какие идут сопутствующие процессы, какие неведомые пути и средства использует природа —   ученые пока не знают.

Изначально имела место версия, что транспортером энергии выступает особое вещество сродни теплороду физики XVIII века. Биохимики создали ряд моделей этого предположительного процесса, стройных и логичных схем, но, к сожалению, не подтвержденных экспериментально. В итоге биоэнергетика зашла в такой себе тупик, который, по словам великого физика Нильса Бора, представляет плодородную почву для сумасшедших идей.

И одна из таких идей как раз возникла. Английский биохимик П. Митчел выдвинул гипотезу, что в процессе окисления «клеточной еды» мембрана митохондрий заряжается электричеством, а ферменты-окислители при этом выступают в роли своеобразных топливных элементов. Далее выработанное и накопленное клеткой электричество тратится на синтез молекул АТФ. Гипотеза основывалась лишь на диэлектрических свойствах мембраны, которая обладает большим электрическим сопротивлением и емкостью, представляя, таким образом, классический электрический конденсатор. Если отталкиваться от мысли о целесообразности природных конструкций, это можно принять в качестве доказательства.

Однако, научный мир на представленные аргументы никак не прореагировал, считая диэлектрические возможности мембран митохондрий банальным совпадением. В итоге идея Митчела при всей своей логической стройности, что называется, повисла в воздухе и, возможно, ее постигла бы участь множества других непризнанных научных гипотез, если бы не эксперименты ученых — В. Скулачева и Е. Либермана (они сразу после обнародования «электрической теории» стали на ее защиту). И именно благодаря этим ученым проявились неизвестные до того времени характеристики биоэнергетики клеток. Вроде бы все выглядело очевидными. И не надо быть геним, чтобы спланировать опыт на живой клетке. Дайте ей питание, чтобы запустился процесс окисления. Установите разницу потенциалов, возникшую на мембране. Теперь, подав на вторую, мембрану, у которой не было питания, аналогичное электрическое поле, надо пронаблюдать — станет ли она синтезировать молекулы АТФ.

Но, к сожалению, опыты такого рода нереальны. В природную мембрану проникнуть невозможно —  она необычайно тонка. Пришлось прорабатывать другие пути.

Pinterest!

Сначала ученые В. Окулачев и Е. Либерман доказали, что заданные вещества, которые препятствуют формированию молекул АТФ, одновременно оказывают электрическое действие, снижая сопротивление мембран. Так конденсатор утрачивает свои свойства аккумулировать электроэнергию, и синтез молекул АТФ угнетается в зачатке. Совпадение, — сказали хором противники теории. Ученые на этом не остановились. Е. Либерман и В. Скулачев, трудясь в своих лабораториях, испытали до 40 соединений различной структуры, имеющих свойство снижать сопротивление синтетических мембран (ученые создали эти искусственные мембраны). Опираясь на результаты, Е. Либерман и В. Скулачев попытались сделать прогноз, как данные вещества будут воздействовать на функционирование живых митохондрий. 

Величие научной теории в том, как она трактует известные до ее возникновения механизмы, но и в возможности спрогнозировать явления неизвестные и новые. В описываемых опытах совпадение было безупречным. Но скептики снова не верили. В. Скулачев и Е. Либерман захотели доказать, что в процессе питания митохондрий реально возникает электрическое поле. Но в конспектах схема опыта была простой, и снова природа отказалась помочь эксперименту.

Идея была такова. Использовать в эксперименте раствор заряженных электрически частиц — ионов и засылать в раствор приготовленный порошок из митохондрий. Если теперь подпитать их привычным для митохондрий веществом, возникнет электрическое поле. Поле должно втянуть внутрь мембран некоторые ионы. Это можно зафиксировать. Но реальность оказалась не благосклонной к людям науки. Суть в том, что мембраны митохондрий ведут себя специфически и не признают посторонних ионов. Хотя, для ряда ионов мембраны не препятствие. Но пропуском являются не электрические, а именно химические свойства. Сигнал к проникновению идет, когда мембрана распознает химическую особенность нужных ей веществ. А ионов с такими свойствами в природе не нашлось.

Их изготовить решился Е. Либерман. В итоге в его лаборатории «родились» синтетически созданные, способные проникать сквозь перегородки мембран митохондрии. Как раз коллеги В. Скулачева изготовили и искусственные мембраны, немного толще естественных. Можно было проводить новый опыт. И он прошел успешно. Ученые все-таки доказали, что митохондрии, приняв «еду», сразу зарядились электрически и вытягивали из раствора ионы. Теперь ученые решили представить более весомые доказательства. Они приняли решение измерить электрическое поле на самой мембране. 

Материализация духов 

История науки располагает классическими образцами опытов, простота и наглядность которых разбивала все отрицания скептиков, в полной мере демонстрируя физическую суть явлений. Но, чтобы провести достаточно убедительные опыты, биохимикам суждено было пройти тернистый путь кропотливого труда, когда они смогли нашпиговать ферментами синтетические мембраны, приближающиеся по свойствам к природным.

Тонкая пленка (мембрана) разделяет на два отсека сосуд из стекла. В каждом из отсеков находится раствор электролита, и в каждом из отсеков — электрод, который соединен с клеммой вольтметра. Электроды должны подать сигнал, что мембрана стала заряженным конденсатором, а химическая энергия окисления трансформировалась в электрическую. Ферменты есть с обеих сторон плоской мембраны. Условия одинаковые. Крошечные электробатареи, местами вкрапленные в мембрану, разобщены.

Из состояния покоя схему выводит «еда», которая поступает на одну сторону мембраны посредством раствора электролита. Ферменты, находящиеся там, поглощают поданную им аскорбиновую кислоту и немедленно вступают в «работу». Они вырабатывают электроэнергию. Теперь всё стало ясным. Стрелка прибора мгновенно фиксирует, что энергетический процесс начался. То, что ранее было загадкой биохимии, стало очевидным. Специалист посредством лабораторной пипетки вводит витамин С. «Еда» без промедления поглощается ферментами, возрастает накопление электричества, сохраняемого естественным конденсатором — митохондриальной мембраной. И стрелка вольтметра приходит в движение, наглядно показывая, как возрастает мембранный потенциал.

Теперь нужна еще одна пипетка. Первая давала ферментам еду, во второй находится яд — раствор цианистого калия. Он может моментально угнетать работу ферментов. И ферменты, до сих пор вырабатывавшие электричество, замирают. Они уже не могут воспринимать аскорбиновую кислоту, их погубили. И стрелка прибора замирает. Одновременно каплей витамина С «запускаются» ферменты противоположной стороны мембраны, чтобы тоже замереть после принятия яда. Очевидность эксперимента, проделанного для четырех видов ферментов, шокировала специалистов. Очертания концепции стали ясны. Живая клетка несет две формы энергии — химической в представительстве АТФ и физической, представляемой потенциалом мембраны. В местах мембран митохондрий находятся так называемые «топливные элементы» — электрогенераторы, которые преобразуют энергию окисления в электрическую. Все эти источники тока могут работать одновременно. И электроэнергия, вырабатываемая любым из источников, используется клеткой по ее по собственному усмотрению. Клетка может осуществлять химическую деятельность, продуцируя молекулы АТФ.

Клетка может работать механически, получая внутрь своей мембраны необходимые вещества. Она может обогреваться, трансформируя выработанное электричество в тепло.  Главным преимуществом электроэнергии является, что она способна без труда трансформироваться и преобразовываться в другие виды. Видимо, природа об этом знает сама. У в мире науки гипотеза Митчела получила исчерпывающее практическое подтверждение.

Многие явления и процессы, которые разум человека постигал столетиями, элементарно работают в условиях живой природы. Наглядным примером является выше описанное открытие. Процесс получения электрической энергии отработан на клеточном уровне и действует идеально. Но ученые со своим пытливым умом и терпением смогли проникнуть в тайны микромира и наглядно представили вниманию людей секреты процесса, ревниво оберегаемые самой природой.опубликовано econet.ru.

Задайте вопрос по теме статьи здесь

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet