Клетки – специалисты в области физики

На микроскопическом клеточном уровне действуют такие силы, о которых на макроскопическом уровне нам ничего неизвестно. Здесь задействована квантовая механика, броуновское движение, а также едва уловимые силы упругости, которые мы легко можем упустить из виду. В двух статьях, опубликованных недавно в Трудах Национальной академии наук (PNAS), исследуются эффективно используемые клетками физические механизмы. Как здорово, что клетки владеют в совершенстве знаниями о физике, иначе мы просто не могли бы существовать.

В статье PNAS команда ученых из университета Орегона,1 Харланд, Брэдли и Партасаранти, описывают действующую в клеточной мембране силу, которая, по их словам, является «самой важной в природе двумерной жидкостью», состоящей из липидных бислоев. Благодаря чему мембрана остается невредимой? «Из-за отсутствия доказательств обратного, принято считать, что гомогенные липидные слои представляют собой простые ньютоновские жидкости – т.е., исключительно вязкие двумерные жидкости, не способные к упругой реакции в одной плоскости. Ученые же, наоборот, «обнаружили, что мембраны не просто вязкие, а вязкоэластичные, и имеют модуль упругости, который контролирует реакцию выше характеристической частоты, которая в точке фазового перехода от жидкости в гель апериодически изменяется». Это означает, что мембрана растягивается и для её разрыва необходимо приложить силу.

«Эти данные коренным образом меняют наше представление о липидных бислоях и механике мембранного окружения».

Исследователи говорят: «Жидкое состояние мембран имеет решающее значение для таких функций, как сборка белков в комплексы передачи сигналов и контролируемая подача макромолекул на поверхности клеток» – т.е. мы не смогли бы жить без мембран, которые знают, как эффективно использовать свойства вязкоэластичности. В конце своей статьи авторы отметили: «На уровне отдельных белков, быстрые конформационные изменения в таких трансмембранных белках, как ионные каналы и насосы, должны связываться с местным липидным окружением. Следовательно, каким бы ни было окружение: вязким или эластичным, оно должно влиять на любую молекулярную модель функционирования белка». Авторы ничего не говорят в своей работе об эволюции.

Другая команда ученых из Калифорнийского университета в Дэйвисе, исследовала квантовую механику одного важного молекулярного механизма переноса электронов – макромолекулярного «Комплекса I».2 В этом комплексе используется механизм, напоминающий работу железнодорожного поршня и соединительной тяги, которые создают протоновый градиент, управляющий синтезом АТФ. Этот процесс имеет огромное значение для всех живых организмов: у людей и у аэробных бактерий источником энергии является пища, которая хранится в виде химической энергии в молекулах АТФ. Эта энергия используется подобно валюте для оплаты за основные процессы в клетке, требующие энергии. Комплекс I переносит два электрона от НАДН (восстановленный никотинамидадениндинуклеотид) и передает их ряду коферментов по длинному плечу его L-образной структуры. Один электрон предположительно используется для контроля, а второй проходит расстояние длиной в 90 ангстремов (очень далекое расстояние по меркам белков) к молекуле убихинона для следующей стадии переноса энергии. Всё это происходит в клеточных электростанциях – митохондриях. В пути переноса электрона участвуют: молекула флавина, молекулы воды и восемь железосерных (Fe/S) кластеров в двух конформациях, каждая из которых действует попеременно как донор и как реципиент электронов, создавая при этом электрический ток.

Хаяши и Стучебрюхов установили, что для передачи электронов по цепи в Комплексе I используется туннелирование электронов (явление из области квантовой механики). Туннелирование происходит, когда частица сталкивается с энергетическим барьером, который кажется непреодолимым, но каким-то образом она проходит этот барьер, так как вследствие принципа неопределенности в вероятностном мире квантовой механики волнообразная и выполняющая волновые функции частица имеет в месте своего нахождения случайное распределение. Существует определенная вероятность того, что частица окажется на другой стороне барьера – словно воин каким-то волшебным образом ловко оказался по ту сторону стены замка, даже не взобравшись на стену.

«В нашей работе мы использовали современные вычисления электронной структуры, показывающие, что механизм переноса электронов происходит путем квантово-механического туннелирования, как и во всей остальной цепи переноса электронов», - отметили исследователи. Еще одной неожиданной находкой было то, что молекулы воды во много раз увеличивают эффективность переноса: «вода между субъединицами комплекса I играет важную роль в осуществлении переноса электронов». Вот, что авторы пишут о своем открытии:

«Вся электронная система комплекса I объединяет пути туннелирования отдельных процессов. Ясно, что остатки специфических пептидов выполняют функцию электронных проводов, связывающих расположенные рядом железосерные кластеры. Отдельные пути туннелирования электронов включают до трех белковых остатков: два лиганда цистеина и один дополнительный ключевой остаток. Следует отметить, что кластеры в белке имеют необычное размещение —они расположены под углом с лигандами аминокислоты цистеина, которые в основном направлены друг к другу. Такой тип расположения, несомненно, является самым эффективным способом переноса электронов из одного кластера в другой».

Кроме того исследователи заметили, что «провода» эффективно используют и термодинамику: «Орбитали туннелирования в активных зонах постоянно изменяются по временной шкале тепловой динамики местного белкового окружения, что намного быстрее самого медленного переноса электронов». Это «смешивание» представляет собой еще один эффективный механизм: «Если бы смешивание электронных состояний не происходило, входящие и уходящие электроны проходили бы через одни и те же ворота атомного кластера, что явно не очень эффективно из-за дополнительного расстояния туннелирования».

В дополнение ко всем этим эффективным действиям, еще большую помощь оказывает молекула воды. Исследователи с удивлением и восхищением отметили: «В присутствии между субъединицами воды, скорость туннелирования заметно увеличивается в два или три раза. Следовательно, внутренняя вода на границах субъединиц является важным посредником в процессе эффективного переноса вдоль окислительно-восстановительной цепи комплекса I».

Упомянули ли ученые в этой истории эволюцию? Да, но только для того, чтобы показать, что здесь она не происходила: «Ключевые остатки, описываемые в данном исследовании как посредники переноса электронов, удивительно сохранились среди разных организмов». Для исследования этого сохранения они наблюдали, что происходит в мутирующих организмах. У мутантов скорость переноса электронов заметно снижена. Все элементы цепи точно настроены для оптимальной эффективности. Даже, несмотря на то, что вода способна «починить» какие-то пути туннелирования в случае образования мутантами разрывов, ученые не были готовы заявить, что идеально настроенные пути передачи электронов созданы именно эволюцией. «В описанных выше путях передачи электронов мы видим сохранение специфических остатков, но нам еще предстоит выяснить, было ли это установлено в ходе эволюции». Это всё, что они сказали об эволюции. По сути, ученые перенаправили этот вопрос кому-то другому, но всё же отметили, что это сохранение не было установлено в ходе эволюции. Какова же альтернатива?

В заключительном параграфе авторы работы с чувством отметили: «Как удивительно, что самый главный механизм образования в клетках энергии основан на волновых свойствах электронов, благодаря которым к молекулярному кислороду путем описанного нами квантового туннелирования по цепи окислительно-восстановительных коферментов происходит эффективный перенос несущих энергию частиц».

Ссылки и примечания

1. Харланд, Брэдли и Партасаранти, «Вязкоэластичные фосфолипидные бислои», Труды Национальной академии наук, статья опубликована он-лайн до выхода в печать 25 октября, 2010, doi: 10.1073/pnas.1010700107. Вернуться к тексту.
2. Хаяши и Стучебрюхов, «Туннелирование электронов в дыхательном комплексе переноса электронов I», Труды Национальной академии наук, статья опубликована он-лайн до выхода в печать 25 октября, 2010, doi: 10.1073/pnas.1009181107. Вернуться к тексту.

Обратите внимание, насколько точны эти механизмы. Эффективность переноса электронов в Комплексе I, к примеру, полностью зависит от точно размещенных в довольно длинной цепи аминокислот и молекул воды. Факт «сохранения» (т.е. не эволюции) этих аминокислот означает только то, что они не могут изменяться без серьезных последствий (как смерть).

Это также не означает, что они приобрели эту структуру путем эволюции — это было бы логической ошибкой. И эволюционисты, и креационисты понимают, что происходят мутации – космические лучи могли повредить молекулу или ген, или ошибка редактирования могла привести к вставке другой аминокислоты. Многие подобные действия приводят в гибели, а те, которые не приводят к смерти, могут позволить организму выжить и воспроизвестись (генетический дрейф и стабилизирующий отбор).

Со временем мутации могут накапливаться с непонятной скоростью (несмотря на эволюционный «молекулярный часовой механизм»), но генетический дрейф и стабилизирующий отбор являются горизонтальными или низводящими процессами. Они могут что-либо создавать только в том случае, если вы верите в сказочного волшебника. Каким образом первому микроорганизму удалось сдвинуться с исходного положения, если не было Комплекса I и АТФ-синтазы? Эволюционисты воображают какие-то мосты, но никогда их не показывают. Представьте, что вы бездоказательно воображаете мосты через океан на Гавайи или мосты через Большой Каньон – это просто вера в то, что эти мосты должны существовать, чтобы эволюция могла по ним преодолеть пропасть. Знаете что? Некоторым людям совсем не нужны подобные гипотезы.

Рассматривая изящные и функциональные структуры этих молекулярных чудесных механизмов, мы должны испытать благоговейный трепет перед их Создателем. Ученые не смеют и думать об этом. Обратите внимание на околичность авторов второй статьи: «но нам еще предстоит выяснить, было ли это установлено в ходе эволюции». Нам неизвестна позиция авторов статьи относительно разумного замысла, но подобное высказывание равносильно тому, что современный ученый спокойно заявляет: «Дарвин был тупицей», и продолжает публиковать свои работы в Протоколах Национальной академии наук. Внимательные читатели могут взглянуть на факты и сами сделать свои выводы.

Источник — www.crev.info