Нанороботы внутри нас: как работают клетки.
Если бы мы уменьшились до наноуровня и совершили путешествие внутрь живой клетки, то увидели бы электродвигатели, конвейеры, сборочные линии и даже шагающих роботов.
По подсчетам биологов, в живой клетке функционирует около сорока известных науке молекулярных машин. Они возят грузы по молекулярным «рельсам», выступают в качестве «включателей» и «выключателей» химических процессов. Машины из молекул производят энергию для поддержания жизни, сокращают наши мышцы и строят другие молекулярные машины. А еще они вдохновляют ученых на строительство рукотворных нанороботов, которые в будущем смогут жить и работать во внутриклеточном мире.
Чтобы представить себе, из чего и как ученые-гулливеры будут строить роботов-лилипутов, мы рассмотрели несколько наномашин, созданных самой природой.
Жгутик бактерии
Известный российский биохимик, академик РАН Владимир Скулачёв назвал движение бактерий одним из самых поразительных явлений природы:
Для передвижения в жидкой среде некоторые бактерии используют вращающийся жгутик, который приводится микроскопическим электродвигателем, собранным из нескольких белковых молекул. Раскручиваясь до 1000 об/мин, жгутик может толкать бактерию вперед с необыкновенно большой скоростью — 100-150 мкм/с. За секунду одноклеточное перемещается на расстояние, превосходящее его длину более чем в 50 раз. Если это перевести на привычные нам величины, то спортсмен-пловец ростом в 180 см должен был бы переплывать 50-метровый бассейн за полсекунды!
Метаболизм бактерии устроен таким образом, что положительные ионы водорода (протоны) накапливаются между внутренней и внешней мембранами ее клетки. Создается электрохимический потенциал, увлекающий протоны из межмембранного пространства в клетку. Этот поток протонов проходит через «двигатель», приводя его в движение.
Белковую структуру «мотора» называют комплексом Mot, который, в свою очередь, состоит из белков Mot A (статора) и Mot B (ротора). Ионные каналы в них расположены таким образом, что движение протонов заставляет ротор вращаться подобно турбине. Манипулируя структурой белка, некоторые бактерии умеют изменять направление и скорость движения, а иногда даже включать «задний ход».
Наличие вращающихся частей у живого организма поначалу казалось столь невероятным, что потребовало серьезных экспериментальных подтверждений. Таких подтверждений было получено несколько. Так, в лаборатории академика Скулачёва бактерию характерной формы (в виде полумесяца, где передняя часть бактерии была вогнутой, задняя — выпуклой) прикрепляли жгутиком к стеклу и наблюдали за ней в микроскоп. Было хорошо видно, как бактерия вращается, постоянно показывая наблюдателю лишь переднюю часть, свою «впалую грудь», и никогда не поворачиваясь «спиной».
Схема «электродвигателя» бактерии гораздо больше напоминает инженерный чертеж, чем изображение живого организма. Главная деталь «мотора» — белок Mot A с ионными каналами, благодаря которым поток протонов заставляет ротор вращаться, как турбина.
АТФ-синтаза
Протонная АТФ-синтаза — самый маленький в живой природе биологический мотор шириной всего в 10 нм. С его помощью живые организмы вырабатывают аденозинтрифосфат (АТФ) — вещество, которое служит основным источником энергии в клетке.
АТФ состоит из аденозина (соединение хорошо знакомого нам по ДНК азотистого основания аденина и сахара рибозы и трех последовательно подсоединенных к нему фосфатных групп. Химические связи между фосфатными группами очень сильные и содержат много энергии. Эта консервированная энергия может пригодиться для питания самых разнообразных биохимических реакций. Однако сперва необходимо определенным образом приложить энергию, чтобы упаковать аденозин и фосфатные группы в молекулу АТФ. Этим и занимается АТФ-синтаза.
Поступающие в организм жирные кислоты и глюкоза проходят многочисленные циклы, в процессе которых специальные ферменты дыхательной цепи откачивают положительные ионы водорода (протоны) в межмембранное пространство. Там протоны накапливаются, как войско перед битвой. Создается потенциал: электрический (положительные заряды снаружи митохондриальной мембраны, отрицательные внутри органеллы) и химический (возникает разница концентраций ионов водорода: внутри митохондрии их меньше, снаружи больше).
Известно, что электрический потенциал на мембране митохондрий, которая служит хорошим диэлектриком, достигает 200 мВ при толщине мембраны всего 10 нм.
Накопившись в межмембранном пространстве, протоны, подобно электрическому току, устремляются назад, в митохондрию. Они проходят по специальным каналам в АТФ-синтазе, которая встроена во внутреннюю сторону мембраны. Поток протонов раскручивает ротор, будто река водяную мельницу. Ротор вращается со скоростью 300 оборотов в секунду, что сопоставимо с максимальными оборотами двигателя болида «Формулы-1».
АТФ-синтазу по форме можно сравнить с грибом, «растущим» на внутренней стороне мембраны митохондрии, при этом описанный выше ротор прячется в «грибнице». «Ножка гриба» вращается вместе с ротором, и на ее конце (внутри «шляпки») закреплено некое подобие эксцентрика. Неподвижная «шляпка» условно делится на три дольки, каждая из которых деформируется, сжимается при прохождении эксцентрика.
К «долькам» прикрепляются молекулы аденозиндифосфата (АДФ, с двумя фосфатными группами) и остатки фосфорной кислоты. В момент сжатия АДФ и фосфат прижимаются друг к другу достаточно сильно, чтобы образовать химическую связь. За один оборот «эксцентрик» деформирует три «дольки», и образуется три молекулы АТФ. Помножив это на количество секунд в сутках и примерное количество АТФ-синтаз в организме, мы получим удивительную цифру: ежедневно в человеческом теле вырабатывается примерно 50 кг АТФ.
Все тонкости этого процесса необычайно сложны и многообразны. За их расшифровку, которая потребовала почти ста лет, были вручены две Нобелевские премии — в 1978 году Питеру Митчеллу и в 1997 году Джону Уокеру и Полю Бойеру.
Как и в случае со жгутиками бактерий, движение ротора АТФ-синтазы было подтверждено экспериментально: прикрепив к вращающемуся участку помеченный флуоресцирующим красителем белок актин, похожий на длинную нить, ученые своими глазами увидели, что он вращается. И это несмотря на то, что соотношение размеров у них такое, как если бы человек размахивал двухкилометровой плетью.
Кинезин
Кинезин — это линейный молекулярный мотор, передвигающийся по клетке вдоль путепроводов — полимерных нитей. Будто портовый грузчик, он перетаскивает на себе всевозможные грузы (митохондрии, лизосомы), используя в качестве топлива молекулы АТФ.
Внешне кинезин похож на сплетенного из тонких веревок игрушечного «человечка»: он состоит из двух одинаковых полипептидных цепей, верхние концы которых сплетены и соединены вместе, а нижние расставлены в стороны и имеют на концах «ботинки» — глобулярные головки размером 7,5 х 4,5 нм. При движении эти головки на нижних концах поочередно отрываются от полимерной «тропинки», кинезин поворачивается на 180 градусов вокруг своей оси и переставляет одну из нижних «стоп» вперед. При этом если один его конец при движении тратит энергию (молекулу АТФ), то другой в это время высвобождает компонент для образования энергии, АДФ. В итоге получается непрерывный цикл подачи и траты энергии для полезной работы.
Как показали исследования, кинезин способен довольно бодро вышагивать по клетке своими «веревочными» ножками: делая шаг длиной всего 8 нм, за секунду он перемещается на гигантское по клеточным меркам расстояние в 800 нм, то есть делает 100 шагов в секунду. Попробуйте представить себе такие скорости в человеческом мире! Шагая по «тропинкам» из микротрубок, переносит различные грузы в клетке Кинезин, шагая по «тропинкам» из микротрубок, переносит различные грузы в клетке
Искусственные наномашины
Человеком, который подтолкнул научный мир к созданию нанороботов на основе биологических молекулярных устройств, стал выдающийся ученый-физик, нобелевский лауреат Ричард Фейнман. Его лекцию 1959 года с символичным названием «Там внизу еще много места» биоинженеры всего мира считают отправной точкой в этом нелегком деле.
Прорыв, позволивший перейти от теории к практике, случился в начале 1990-х годов. Тогда английские ученые из Университета Шеффилда, Фрэйзер Стоддарт и Нил Спенсер, и их итальянский коллега Пьер Анелли сделали первый молекулярный челнок — синтетическое устройство, в котором происходит пространственное перемещение молекул. Для его создания используют ротаксан — искусственное вещество, в котором кольцевая молекула (кольцо) нанизана на линейную молекулу (ось). Отсюда и название вещества: лат. rota — кoлесо и axis — ось. Ось в ротаксане имеет форму гантели, чтобы с помощью объемных групп на концах не позволять кольцу соскальзывать со стержня.
Челнок на основе ротаксана перемещает кольцевую молекулу вдоль линейной, на которой она держится, с помощью протонов (ослабляя или увеличивая водородные связи, удерживающие по центру кольцевую молекулу) и броуновского движения, толкающего вперед кольцо. Это похоже на брошенный в ручей резиновый мячик, привязанный к веревке: ослабили веревку (водородные связи) и стремительный ручей (броуновское движение) подхватит мяч и увлечет его вперед. Натянули веревку — мяч возвратится назад.
«четырехколесная» молекула, созданна в 2005 году группой под руководством профессора Джеймса Тура (Университет Райса). Собственного мотора у нее нет, однако при нагревании поверхности до порядка 200 °C фуллереновые колеса начинают вращаться и машинка катится.
«Наномашина»
В 2010 году группа американских биоинженеров, Милан Стоянович и его коллеги, создали молекулярного наноробота, способного перемещаться по ДНК. В ходе эксперимента ученые смогли проследить, как их наноробот смог самостоятельно сделать 50 шагов и передвинуться на 100 нм. Робот, внешне напоминающий паука, может автономно выполнять несколько команд: «идти», «повернуть», «остановиться». По мнению авторов, он очень востребован в медицине в качестве доставщика лекарств в клетку.
В 2013 году английские и шотландские биоинженеры под руководством Дэвида Лея смогли создать первый в мире молекулярный наноконвейер: наномашину, способную собирать пептиды, короткие белки. В природе эту задачу выполняют рибосомы — органеллы, находящиеся в наших клетках. Биоинженеры взяли за основу для своей машины молекулу ротаксана и на ее «стержне» смогли собрать из отдельных аминокислот белок заданного свойства. Правда, в соревновании с природной сборкой белков в рибосоме искусственная молекулярная машина пока проигрывает: ей понадобилось 12 часов на присоединение каждого аминокислотного остатка, в то время как рибосомы справляются с этой задачей быстрее чем за секунду.
Несмотря на это, исследователи с оптимизмом рассматривают свою разработку. «Вы получаете машину, которая точно движется, поднимает молекулярные строительные блоки и ставит их вместе. Если природа делает это, почему не можем мы?» — отметил профессор Лей.
Экспертное мнение
Александр Марков, биолог, популяризатор науки, профессор МГУ: «В ходе эволюции очень легко возникают системы, выглядящие на первый взгляд «несократимо сложными». Они состоят из многих частей, которые приносят пользу только все вместе, убери одну — и вся система перестает работать, а каждая отдельная часть сама по себе вроде бы бесполезна. Это заставляет некоторых ученых поставить под сомнение теорию эволюции в целом. Но стоит начать разбираться, и выясняется, что эти системы на самом деле не являются «несократимо сложными». Удаление некоторых деталей не уничтожает молекулярную машину, а лишь снижает ее эффективность. Значит, в прошлом могла существовать машина без этой детали, а деталь присоединилась позже, что повысило эффективность работы. Но даже если удаление детали делает молекулярную машину не функциональной, это может быть результатом долгой взаимной «притирки» деталей. Необходимо также помнить, что организму, не имеющему какой-то молекулярной машины, будет полезен даже очень простой, малоэффективный, едва работающий ее вариант».
Без этих нанороботов организм не может существовать, значит их кто то создал, а затем создал сложные организмы которых эти нанороботы обслуживают.
Добавлено спустя 1 минуту 51 секунду:Re: Искусственная экосистема Земля. Мир как виртуальная игра.Строение и расположение глаз животных говорит о их искусственном происхождении.
Форма зрачка животного безошибочно выдает его экологическую специализацию – вертикальными зрачками обладают хищники, в том числе и домашние кошки, ведущие охоту из засады, горизонтальными – травоядные животные, а круглыми – собиратели и охотники. У хищников глаза расположены спереди а у других животных сбоку и имеют круговой обзор, что бы можно было убежать от хищников.
Все парнокопытные и непарнокопытные травоядные обладают горизонтальными зрачками по той причине, что подобное устройство глаз помогает им поддерживать почти полный панорамный обзор местности перед и за ними. Это необходимо для того, чтобы не только замечать хищников за спиной, но и видеть возможные пути спасения от него. Все травоядные животные стараются поддерживать зрачок в параллельном положении к поверхности земли даже тогда, когда они склоняют голову для щипания травы или веток растений. Как показали наблюдения за антилопами и козлами животное просто поворачивает глаза на тот угол, на который наклонена его голова. Такие животные могут вращать глаза в любую сторону на целых 50 градусов, что в 10 раз больше, чем это может делать человек.
Некоторым видам животных, которые активны днем и ночью, такие как домашние кошки, щелевидные вертикальные зрачки позволяют одновременно видеть окружающую среду ночью и не слепнуть на полуденном солнце.
Кошки и другие засадные хищники имеют вертикальные зрачки для того, чтобы максимально точно оценивать расстояние до жертвы и рассчитывать силу прыжка. Не все засадные хищники обладают такими зрачками, их обладатели обычно имеют малый рост не выше 42 сантиметров от земли до плеча и ведут охоту с поверхности земли. Это справедливо для диких предков кошек, но не львов, тигров и других крупных кошачьих. Их зрачки круглые, как у людей или собак, эта биологическая загадка объясняется тем, что точность определения расстояния до жертвы падает с повышением роста хищника из-за того, что падает разница в резкости между тем, на что смотрит кошка, и остальным миром. Данный феномен может объяснить то, почему глаза у манулов, чей рост чуть выше нормальных кошек, обладают круглым, а не щелевидным зрачком.
У искусственно созданных организмов заложены программы адаптации к окружающей среде - у того кто живёт на холоде отрастает шерсть, у микроорганизмов образуется множество мутаций их для сопротивления различным химическим веществам. Сама эволюция может быть только в пределах одного вида, из одного вида получить другой без генетической манипуляции невозможно.
Животные имеющие явное искусственное происхождение:
Кузнечик - только у самца на одном конце лётного крыла мембрана на другом зазубрины он поднимает крылья и начинает тереть зазубринами об мембрану, звук отражается от мембраны.
Кобылки, травянки и саранча - вдоль внутренней поверхности заднего прыгательного бедра тянется длинный ряд бугорков, а одна из продольных жилок надкрылья утолщена. Быстро двигая задними ногами, кобылка проводит бугорками по жилке, и при этом раздается стрекочущий звук.
Белый медведь - шерсть бесцветная не имеет красителя, но она полая с шероховатостями внутри из за чего кажется белой, ультрафиолет попадая на его шерсть по трубкам внутри шерсти попадает к чёрной коже и обогревает её, остальная часть спектра отражается.
Светлячок - свечение вызывается химическим процессом биолюминесценции в их теле. Для «включения» света орган, управляющий свечением, начинает подавать кислород который соединяется с кальцием, молекулой аденозинтрифосфата (АТФ) , служащей хранилищем энергии, и пигментом люциферином в присутствии фермента люциферазы. Чтобы заставить митохондрии отдать часть кислорода, мозг насекомого дает команду на выработку окиси азота, которая замещает кислород в митохондриях. Вытесняемый ею кислород поступает к органам свечения и может использоваться в химических реакциях, в результате которых испускается свет. Однако окись азота быстро разлагается, поэтому кислород вскоре вновь связывается и генерация света прекращается.
Рыба удильщик - подманивая добычу постепенно придвигает светящуюся "приманку" к огромному рту и в нужный момент заглатывает жертву.
Летучая мышь - способна впадать в оцепенение, сопровождающееся уменьшением скорости обмена веществ, интенсивности дыхания и частоты сердечных сокращений, многие способны впадать в длительную сезонную спячку, обнаруживают предметы, преграждающие им путь, испуская неслышимые для человека звуки и улавливая их эхо.
Осьминог - обладает способностью изменять окраску, приспосабливаясь к окружающей среде, это объясняется наличием в его коже клеток с различными пигментами способных под влиянием импульсов из центральной нервной системы растягиваться или сжиматься в зависимости от восприятия органов чувств.
Хамелеон - в наружном волокнистом и более глубоком слое кожи находятся особые разветвлённые клетки - хроматофоры, содержащие зёрна различных пигментов чёрного, тёмно-коричневого, красноватого и жёлтого цветов. При сокращении отростков хроматофоров зёрна пигментов перераспределяются изменяя цвет кожи.
Растения хищники (венерина мухоловка, альдрованда, росянка, жирянка, росолист...) специально адаптированные для ловли и переваривания небольших животных, в основном насекомых, размер которых варьирует от микроскопических дафний до комнатных мух и ос. В ловчие аппараты крупных видов растений иногда могут попадаться и другие животные, например, лягушки и даже мелкие млекопитающие. Обычно такие хищные растения обитают в обедненных азотом местах, а насекомых используют как дополнительный источник азота, таким образом получая дополнительные питательные вещества путем ловли живой добычи.
Дельфин - в состоянии медленного сна у них попеременно находится только одно из двух полушарий мозга, дельфины вынуждены время от времени подниматься к поверхности воды для дыхания, имеют "словарный запас" до 14000 звуковых сигналов, который позволяет им общаться между собой, самосознание и эмоциональное сочувствие, готовность помочь новорожденным и больным, выталкивая их на поверхность воды, активно используют эхолокацию.
Всё это биотехнологии будущего, которые кто то реализовал в прошлом.
Добавлено спустя 2 минуты 41 секунду:Re: Искусственная экосистема Земля. Мир как виртуальная игра.Признаки искусственного конструирования растений:
Фотосинтез - реакция, преобразующая энергию света в энергию химических связей, растения используя кванты света, превращают углекислый газ и воду в органические соединения и кислород. Все это позволяет выживать не только самим растениям, но и миллионам других микроорганизмов, населяющих наш мир. Кислород необходим животным, которые преобразуют его в углекислый газ это замкнутый биологический цикл. У растений фотосинтетический аппарат размещен в мембранах специальных органелл, именуемых хлоропластами. В результате работы хлоропластов генерируется поток протонов через мембрану, благодаря чему возникает протонный градиент. Из-за этого клетки имеют возможность запасаться энергией, синтезируя высокоэнергетические молекулы АТФ.
Фототропизм (гелиотропизм), изменение направления роста органов растений в сторону источника света (положительный Фототропизм) или в противоположную сторону (отрицательный Фототропизм).
Гелиотропные цветы отслеживают движение Солнца по небу в течение дня, с востока — на запад. Ночью цветы могут ориентироваться достаточно бессистемно, но с рассветом они поворачиваются на восток, к восходящему светилу. Движение осуществляется при помощи специальных моторных клеток, находящихся в гибком основании цветка. Данные клетки являются ионными насосами, доставляющими ионы калия в близлежащие ткани, что изменяет их тургор. Сегмент изгибается из-за удлинения моторных клеток, расположенных на теневой стороне (вследствие роста гидростатического внутреннего давления). Гелиотропизм является ответом растения на синий свет. Одним из самых гелиотропных цветов является подсолнух, который наиболее других цветов «ходит» за солнцем, особенно в раннем возрасте, пока его головка не вырастет до большого размера и не станет слишком тяжёлой, чтобы двигаться (в это время все его силы сосредотачиваются на созревании семян). В большей или меньшей степени, почти все цветы являются гелиотропными. По такому же принципу строятся современные солнечные электростанции с вращающимися вслед за солнцем панелями.
Добавлено спустя 4 минуты 17 секунд:Re: Искусственная экосистема Земля. Мир как виртуальная игра.Биотехнологии конструирования животных.
Молекулярные машины обслуживающие клетку:
Дыхательная цепь. Цепь переноса электронов. АТФ-синтаза.
http://www.youtube.com/watch?v=rVh3DmFar_sКинезин доставляет жизненно важные грузы по дорожным путям клетки - микротрубкам.
http://www.youtube.com/watch?v=fCavQeE8jgs#t=14Внутренняя жизнь клетки.
http://www.youtube.com/watch?v=Qhbixk2URdcПроцесс активации яйцеклетки и последующего клонирования.
http://www.youtube.com/watch?v=l5fP07_N3g0?Добавлено спустя 13 минут 6 секунд:Re: Искусственная экосистема Земля. Мир как виртуальная игра.В том что наш мир существует нет ничего удивительного, пространство бесконечно и существует бесконечность, в нём постоянно зарождаются и угасают вселенные, в какой то момент времени в этой бесконечности возник первичный разум, а уж как он возник и чем является то ли автономным квантовым компьютером который создала какая то сверх цивилизация, то ли просто сверх цивилизация достигла предела развития и в ней переносят своё сознание в новые носители - тела не так уж и важно, главное в том что он существует вечно и строит свои виртуальные миры подобные нашему.
То что наша цивилизация не первична видно по строению многих видов животных на земле, взять хотя бы того же кузнечика у него на одном лётном крыле мембрана на другом зазубрины он поднимает крылья и начинает тереть зазубринами об мембрану и так раздаётся стрекочущий звук. И раз кто то мог создавать насекомых то он мог создать и животных и растения ведь все они имеют своё начало в яйцеклетке - первичном генетическом конструкторе.
