homuncul

Великая тайна воды: гель

Рассказывает профессор В.Воейков, печально известный в узких кругах. Для тех, кто не знает, доктор биологических наук, зам. зав.кафедрой биоорганической химии биологического ф-та МГУ им. М.В. Ломоносова.


...Начнем с того, что эмбрион человека - это на 95 % - вода. Можно привести в пример и взрослые живые существа, состоящие, фактически из воды. Некоторые медузы состоят из воды на 99,9 %. Если взять, условно говоря, килограммовую медузу - в ней 999 граммов воды и только 1 грамм всего остального, включая белки, нуклеиновые кислоты, низкомолекулярные вещества, соли и т.д. То есть – это суперчистая вода. И эта суперчистая вода обладает всеми признаками живого организма. …И тогда к чему мы будем относить принцип устойчивого неравновесия? К возбужденным белкам в медузе? Но белки в этой воде ведь не просто плавают. Если медузу разрезать - из нее литр воды не вытечет.

То есть, вода в медузе каким-то образом, скажем так, структурирована?

Эта вода структурирована всем тем, что есть у медузы в 0,1 % по массе. Но, в основном, ее структурируют не белки, а углеводы, преимущественно, полисахариды. Они встречаются везде и всюду. Любая клетка, в любом организме, покрыта полисахаридами.
…Вообще, медузы, не единственные из максигидродидов (Hydroidea), состоящие в значительной мере из воды. Или, взять хотя бы рыб. Что у них там, в массе, помимо воды? Ну, скелет. Есть, так называемые, стеклянные рыбы, совершенно прозрачные.
Они, фактически - вода. И получается, что эта вода отличается какими-то особыми свойствами.

Что позволяет так думать?

Та же медуза живет в воде, в которой воды существенно меньше, чем в ней самой. Морская вода характеризуется высоким содержанием солей: их в ней, примерно, 3,5%. То есть, в медузе меньше твердого вещества, чем в окружающей ее воде, и между тем медуза с ней не смешивается. Значит, чем-то эта вода отличается.

Чем же?

В учебниках до сих пор написано, что в клетке вода такая же, как снаружи, и только полупроницаемая перепонка (мембрана) ее удерживает, сепарирует, отделяет, не давая перемешиваться внутреннему раствору с внешними веществами. И в этой перепонке есть ворота, насосы, каналы.

/

Но, в конце 30-х годов, наш выдающийся цитофизиолог Дмитрий Николаевич Насонов, работавший в ВИЭМе в то же время, что и Бауэр, а позже основавший Институт цитологии в Ленинграде, занимался изучением воды. Он разработал оригинальные цитологические методы исследования, благодаря одному из которых, а именно, методу исследования распределения между клеткой и средой органических анионов и катионов, пришел к выводу, что живая клетка отличается от погибшей состоянием в ней воды.
Исходя из результатов исследований Насонов, вместе со своим другом и коллегой Владимиром Яковлевичем Александровым, выдвинул фазовую гипотезу протоплазмы, предположив, что вода в клетке – это вода, находящаяся в другой фазе, нежели внеклеточная вода.

В другой фазе, это как лед и пар?

Да, и лед -- это H2O, и пар – это H2O. А состояние и структура – разные. Или пример другой природы, кристаллические модификации углерода (С) – графит и алмаз. Чем они друг от друга отличаются? И там углерод, и здесь углерод. Но при этом никто графит за алмаз не выдавать не станет. И с этой точки зрения внутриклеточная вода другая, чем, внеклеточная.…Споры на эту тему: о структурах, в которые вода гидратирует, и о том, насколько сильно они меняют ее свойства - ведутся с конца 30-х годов. И до сих пор продолжаются.

А Вы какой точки зрения в этом вопросе придерживаетесь?

Есть такой ученый с мировым именем, специалист в области биохимии и биофизики, биоинженер, профессор Джеральд Поллак (Gerald Pollack).
Еще лет 15 назад он стал задумываться о том, что вода в клетке может быть другая, чем вода вне клетки. На эту тему он написал замечательную книгу: «Клетки, гели и машины жизни» (Pollack, G.H.: Cells, Gels and the Engines of Life: A New, Unifying Approach to Cell Function), которая вышла в США в 2001 году. В ней Поллак очень доступно, но абсолютно строго показывает, что все наши представления о физиологии, биохимии, и т.д., основанные на теории мембран, и того, что вода в клетке и вода вне клетке тождественны, имеют мало общего с реальностью.

В чем тут дело?

Теорию мембран в середине XIX века выдвинул Мориц Траубе (Moritz Traube), обнаруживший явление полупроницаемости искусственных мембран. Потом для ее спасения была выдвинута следующая гипотеза, потом следующая и т.д. И сейчас избавиться от этой концепции очень трудно.

Почему?

Потому что, за обнаружение всех этих мембранных насосов, каналов (теория сита) семь Нобелевских премий дали. Но только это не имеет никакого отношения к интерпретации того, что биологи на самом деле открыли.
…И вот Поллак написал эту книгу. Она вызвала активную реакцию, причем, в основном положительную, потому что противопоставить ей оказалось нечего, кроме того, что все идут в ногу, а один - нет. Но, надо сказать, и не один, потому что, собственных данных Поллака в книге очень мало. Он собрал, обработал и обобщил громадное количество литературы по этому вопросу, начиная с середины XIX века. И ему удалось на этом материале создать целостную картину физиологии клетки, гораздо более адекватную, чем общепринятая концепция. В ней, естественно, тоже полно вопросов, на которые нужно искать ответы, но она, по крайней мере, не шита белыми нитками. А потом Поллак решил сам ставить эксперименты, пытаясь найти модель, с помощью которой можно увидеть особые свойства клеточной воды.

А на уровне клетки?

На уровне клетки опытным путем сделать это крайне сложно.…И Поллак задался целью найти модель попроще, где можно было бы относительно простыми методами изучить, чем отличаются свойства поверхностной (пограничной) воды – воды, находящейся на границе между смачиваемой ей поверхностью и объемной водой, далеко отстоящей от этой поверхности.

И он такую модель нашел. В 2003 году в авторитетном журнале Physical Review появилась его первая публикация на эту тему, очень интересная. В качестве модели он использовал помещенный в воду кусочек желе, точнее, соприкасающийся с водой гидрофильный полимерный гель.
Ну, то, что в самом желе вода какая-то особая, понятно уже по медузе. А вот на поверхности желе - какая вода? И, он показал, что эта поверхностная вода может организовываться на расстоянии до многих сотен микрон, а это доли миллиметров. Ее можно увидеть даже невооруженным глазом, а уж тем более под микроскопом. И вода, в этом достаточно толстом слое, отличается от той, что находится в объеме: и по вязкости, и по плотности, практически по всем, известным нам, параметрам.

Во время одного из экспериментов Поллак бросал в заполненный водой «колодец», вырезанный в кусочке желе, маленькие гидрофильные шарики (микрон, два). Если вода везде одинаковая, шарики должны были равномерно распределиться по всему объему. Но они уходили от стенок колодца на сотни микрон, оставляя за собой прозрачный слой «пограничной» воды. В этот слой не проникают красители и многие другие вещества. Поллак назвал эту воду, находящуюся в этом слое, exclusion zone water – вода, обладающая принципом исключения многих растворенных веществ. То есть, они в нее не проникают.

…своеобразная «запретная зона».

И она может распространяться на довольно большие расстояния, до долей миллиметра, а может быть, и дальше.

Значит ли это, что часть клеточной воды подвижна, а часть обладает какими-то иными свойствами?

Совершенно верно. Та вода, что прилегает к структурам клетки с развитой поверхностью, должна быть подобна той, что обнаружил в своих модельных экспериментах Поллак, а та, что находится вдали от этих поверхностей или вблизи сильно изогнутых поверхностей, должна быть гораздо больше похожа на объемную воду, где молекулы воды намного подвижнее. А поскольку протоплазма в живой клетке представляет собой динамическую структуру, вода неизбежно переходит из одного состояния в другое.

* * *

Полностью откровения В.Воейкова можно прочитать здесь.
Обнаружил их, когда искал ту самую книгу Поллака - Cells, Gels and the Engines of Life. [Нашелся только небрежно отсканированный вариант – если у кого есть в хорошем качестве, поделитесь plz].



Лекция Поллака в Вашингтонском ун-те. Pollack G.H. Water, Energy and Life (2008)


Также можно посмотреть в хорошем качестве здесь.
Расшифровка этой лекции на русском: http://kadmister.livejournal.com/1432.html и http://kadmister.livejournal.com/2388.html


Рецензия на книгу Поллака в Nature Genetics (2001):
doi:10.1038/91054

If Cells, Gels and the Engines of Life is correct, a large number of biologists should be fighting very scared. According to the author, Gerald Pollack, one of the fundamental concepts of modern cell biology is seriously wrong. Pollack believes that the importance of the plasma membrane has been overwhelmingly overstated, and pumps, transporters, channels, membranes bounding intracellular compartments and suchlike have few or none of the roles that we all ascribe to them. If this is all correct, a tidy proportion of all modern biologists have been wasting their time for the past few years. Plainly the many thousands of neurobiologists who base their work on neuronal ion channels will be troubled if, as Pollack more or less states, these channels are artifacts needed to shore up the old membrane-centered paradigm.

Pollack's central hypothesis is that the contents of cells are not aqueous solutions, as biochemists have tended to assume. Rather, the cytoplasm is a complex gel, and much of the behavior of cells can be explained by gel-specific concepts such as phase transitions and exclusion of specific solutes from the gel matrix. Historically, biologists invoked membrane-based barriers because they thought an impermeable bag was needed to hold the cell's innards in and keep the outside world out. This, for Pollack, is the fundamental error—a gel-like cytoplasm holds its own form without needing a bag to hold it. One mistake leads to another, however, and once people were erroneously committed to impermeable membranes, they had to invent channels to explain the passage of ions into the cell, and then pumps to explain why potential and ion gradients survived the action of the channels. In other words, much of membrane biology is a house of cards, built on a flawed foundation to "save the phenomena".

Pollack's view of the cell is fundamentally different. He sees cytoplasm as a self-restricting architectural gel, potential gradients and ion gradients generated by specific inclusion or exclusion of separate ions, and no need for a boundary to separate compartments. Thus, when the plasma membrane is damaged (whether by electroporation, detergents, or other insults), the cell not only maintains its structure, but also its electrical potential and the separation of its subcompartments. Pumps and channels are simply pointless, and data from techniques such as patch-clamping are riddled with artifacts. The membranes around subcompartments such as exocytic vesicles are essentially irrelevant to their behavior, which instead is controlled by the properties of the gelid contents. In general, the book portrays membranes like drones in a beehive, required for the odd special function but otherwise pointless.

The book is tidily and clearly organised. It begins with a many-pronged attack on currently accepted views. As well as the historical argument against pumps and channels and the ability of cells to survive membrane damage, Pollack argues that more pumps are required than can possibly exist, which would use more energy than the cell could possibly generate. He then explains at length how gels and phase transitions can explain first basic features of cell physiology, then specific functions from secretion to muscle contraction, with stops for cell division and the action potential.

For me, the initial section was the most provocative and interesting—I do love a good argument, even if I occasionally found the new explanations much less convincing than the supposedly flawed ones they were designed to replace. As the book progressed, it became increasingly hard to read; there's a certain sameness to the explanations of how gels organize each different process. I'm not sure what could be done to improve this. A theory of everything has to be shown to explain quite a lot of things, after all. Darwin's Origin of Species, which I read while I was still a keen student, contains long stretches that were insufferable to read but important for the argument. It also didn't help that the book arrived during a British general election, so the airwaves were crammed with politicians authoritatatively explaining why the opposition was obviously flawed and everything should be changed. I suspect all that hot air induced a backwash of cynicism about new ideas and demands for change.

This is the book of someone who knows the implications of what he's trying to say. Chapters and sections have titles like "Debunking Myths," "Toward Ground Truth," "Building from Basics" and "A New Paradigm for Cell Function". The critiques of existing models are strongly argued. There's no room for the current view to be basically sound, give or take a reinterpretation here and there, or revision of a small subfield. The only answer is a complete paradigm shift, with the old membrane-based framework going out of the window and being completely replaced by a complex and interlocking system of phase transitions in an architecture built from gels.

And here, for me, lies the problem. Paradigm shifts are supposed to arise when the old framework of knowledge starts to creak so badly that scientists in the field can see the gaps. Newer paradigms arise because they are better at explaining the difficult results which trip up the older ones. From where I stand, however, the membrane story is doing pretty well. The structure of the mitochondrial ATPase has been solved, and fits very nicely with the concept of energy generated from proton gradients across membranes. Lipid-soluble drugs that insert in the membrane and dissipate charge gradients have the expected results on energy generation. The long and growing list of drugs that bind to the maligned neural ion channels have, by and large, the expected effects on cell behavior, and several of them work in the expected way to change nerve impulses and cure diseases. There are many such points—I don't have space to raise them all, and I'm sure the author could raise a counterargument for each one. Overall, suffice it to say that I was intrigued, and that I found elements of the argument completely convincing. I was not, however, convinced that membranes are overvalued and the existing paradigm is tottering. If you feel like taking on a big argument, why not see if you agree?

Рецензия в Cell: [PDF]


На сайте автора первая глава книги: PDF

Упомянутая статья 2003 г. в Phys. Rev.: Long-range forces extending from polymer-gel surfaces [Abstract и Fulltext]


UPD. via vladimirmatveev
Журнал Поллака: http://waterjournal.org/
Журнал основателя фазовой теории клетки, Г. Линга: http://www.physiologicalchemistryandphysics.com
очень интересно, хоть это не моя специализация
А чем он печально известен?
Как вам сказать. Виталист он. Слова всякие произносит, странные. Считают, что ударяется в псевдонауку (вы полный текст интервью почитайте). При упоминании его фамилии 'настоящему ученому' надлежит морщиться и качать головой.
Привлекает в качестве иллюстрации - перевернутая картина общепринятого и понятного. Не нужно концентрироваться на Воейкове, главный герой поста - Поллак.
Да, примерно такие же ощущения. Интересно, как вообще удается прийти к совершенно противоположным трактовкам давно известного и понятного.
Что касается мембран - судя по тому, что говорится (сразу оговорюсь: саму книгу не читал), автор банально перегибает палку. С одной стороны, оно конечно правильно как-то заострить внимание народа на том, что не на одних мембранах всё держится, и что внутренние структуры также играют важную роль. И даже в какие-то моменты способны временно подменять собой участок мембраны. Но как бы и не более того: если бы мембрана была настолько неважна и не выполняла всех тех функций, которые ей приписывают, то как бы её бы и вообще не было..
Согласен, что перегибает. Сложно порой уловить - возможно, это делается намеренно. Если говорить о каких-то крупицах смысла, то да, акцент на внутриклеточную воду, внутреннее структурирование (я бы добавил еще цитоскелет) очень полезен.
Отрицать какие-то специфичные свойства поверхностных слоев в эпоху поверхностно-активных веществ - дело дурное и бесперспективное. Но Воейков, имхо, мутит воду.

Поверхностное натяжение, смачиваемость - это все хорошо, но сильно зависит от места. Т.е. если в наружном слое капли, или у стыка двух сред. А Воейков, кажется, задвигает не столько идею разных фазовых состояний, сколько изомеров воды - несмешиваемых и не превращающихся друг в друга. Мол, из раствора воды А в воде Б вблизи мембран выделяется чистая фракция А, которая перетекает внутрь клетки и там обеспечивает животворящее движло...
На самом деле, прежде всего меня интересует Поллак. Воейков давно перебрался в иное измерение, достать его оттуда нам уже не удастся. Поллак - фигура покрупнее и, как кажется, для научного процесса не потерян.
Все строится вокруг того, что внутриклеточная вода находится в состоянии геля. Раствор - неверная метафора, против которой он воюет. Как он говорит, в его экспериментах вода структурировалась на миллионы слоев, это очень много.
Посмотрите лекцию, он показывает экспериментальные записи. Работы опубликованы. Конечно, хотелось бы от других лабораторий что-то услышать (впрочем, может есть, я просто не знаю).
Интересно, что статья Поллака очень малоцитируемая. Если его собственные ссылки выбросить, останется, наверное, 10, и те большей частью в биологических журналах. Казалось бы, наблюдается странный, можно сказать, необъяснимый эффект, а физики молчат. Никто не пытается ни эксперимент повторить, ни объяснить, ничего вообще. Вот это непонятно мне очень.

Насчет его книги — судя по рецензии, мне кажется, что она замахивается вообще-то далековато, хотя я ее, конечно, не читал, и вряд ли понял бы. В ней есть хоть какое-то рациональное зерно, или он тоже печально известен в узких кругах?

З. Ы. Статью я прочитал.

Edited at 2009-07-26 10:47 am (UTC)
Я нарочно дал ссылки на рецензии, как вы понимаете, лучше по ним судить. У меня те же вопросы, что и у вас. Давно книгу хотел прочитать, руки не доходили. Вот теперь нашел - должно быть любопытно, если не увлекаться вслед за автором.

Еще одна статья: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16952332 (2006)
Страничка Поллака: http://depts.washington.edu/bioe/people/core/pollack/pollack.html
перекликается с работами по жидкому гелию
Небрежно отсканированный вариант, это PDF 53.7 Mb, RAR 26.2+23.5 Mb?
Voyeikov is fun, he taught us some bioorganic chemistry at MSU, i have met a slovenian guy at a FEBS meeting a couple of years ago, he collaborated with Voyeikov to measure "aura" of people taking some medicines :))))
на границах диэлектрически различных сред происходят забавные вещи...;)
Получаетмя, что "жизнь — это форма существования жидкого льда".
Еще получается, что пока на Землю не были занесены флюиды, жизнь на ней не могла образоваться. Отсюда следует, что все мы некие подопытные кролики и кто-то использует нас для проведения своих экспериментов. В общем, следствий много и все такие...