Самая сложная молекула в мире: Разум? Это – элементарно! / Наука / Независимая газета

Разум? Это – элементарно! / Наука / Независимая газета

Разум, возможно, обитает в этой чашке петри. Профессор Тосиюки Накагаки и объект его исследований – желтый слизевик Physarum polycephalum.

Фото с сайта i.telegraph.co.uk

В самом конце прошлого года появилось сообщение, что в Astrophysical Journal готовится к публикации статья, которая может несколько вдохновить сторонников гипотезы множественности внеземных цивилизаций. По крайней мере наблюдение за метанолом, активно формирующимся вокруг нескольких обследованных молодых звезд, позволяет, по мнению ученых, говорить, что жизнь во Вселенной может встречаться чаще, чем мы думаем.

Дело в том, что метанол – это своеобразный индикатор наличия исходного строительного материала для органической химии. «Метанол – самая сложная молекула, способная сформироваться в условиях низких температур межзвездного пространства, – подчеркивает астроном Дуглас Уиттет из Политехнического института Ренсселера (США). – Поместите метанол в формирующуюся звездную систему, где его ждет тепло протосолнца, и он станет трамплином к новой химии».

Иными словами, как заявляет астроном Сачиндев Шеной из Исследовательского центра NASA им. Эймса, «наличие метанола подскажет, где искать другие сложные органические молекулы, которые в конечном итоге приводят к образованию жизни».

«Наблюдаемые нами пылевые облака с этой точки зрения имеют более благоприятные условия для возникновения жизни, чем то облако, из которого сформировалась Солнечная система, – подытоживает своих коллег Аманда Кук из Исследовательского центра NASA им. Эймса. – И тем не менее жизнь в Солнечной системе есть».

Мало того, Джейкоб Хакк-Мишра и Рави Кумар Коппарапу из Университета штата Пенсильвания (США) еще радикальны в своих выводах относительно присутствия инопланетного разума. Проанализировав большой массив статистики, они утверждают, что Солнечная система в действительности может изобиловать древними космическими аппаратами или их обломками. Мы их просто не нашли.

«Мы не исключаем возможности того, что инопланетные зонды даже наблюдают за нами», – подчеркивают специалисты. Возможно, в частности, что наблюдательный пункт – естественный спутник Земли, Луна. В скором времени у нас будет очень подробная карта поверхности Луны, которую сейчас составляет аппарат Lunar Reconnaissance Orbiter, но автоматика едва ли сумеет отличить корабль «чужих» от валуна.

А вот это действительно возможно, самая существенная проблема для энтузиастов – проблема поиска внеземного разума. Жизнь как таковую мы еще как-то сможем распознать (см. выше пример с метанольными облаками). Но вот сможем ли мы распознать разум? Братьям Стругацким принадлежит очень подходящий к данному случаю афоризм: «Жизнь – это болезнь материи, а разум – это болезнь жизни».

Впрочем, если принять за исходную гипотезу, что человек вольно или невольно ищет братьев по разуму по образу и подобию своему, то забираться, пусть и в ближний космос для поиска сапиенсов, совсем не обязательно. Они, «братья», могут копошиться у нас буквально под ногами.

Тосиюки Накагаки, профессор Университета будущего Хакодате (Япония) и его коллеги из университетов Оксфорда (University of Oxford) и Хиросимы (Hiroshima University) обнародовали на днях результаты своих исследований амебовидного желтого слизевика вида Physarum polycephalum. Оказалось, что этот «безмозглый» (беру, на всякий случай, в кавычки: мало ли, вдруг он обидится! – А.М.) первобытный организует свои клетки так, чтобы проложить наиболее прямой путь через лабиринт к источнику питания.

У клеток этого примитивного организма, похоже, есть способность к обработке информации, которая позволяет им оптимизировать маршрут, по которому плесень растет, чтобы добраться к источнику пищи. При этом она избегает стрессов, таких, например, как свет, который может их повредить. По словам профессора Накагаки, которые приводит агентство Mignews.com, «люди – далеко не единственные живые существа, наделенные информационно-вычислительными способностями».

А ведь этот слизевик помнит еще динозавров, а то и их многоклеточных предков. Слизевики часто встречаются внутри гнилой древесины. Когда грибы обнаруживают бактерии или споры, они выбрасывают жгутики протоплазмы, переваривая добычу. Слизевики растут, трансформируясь в эффективную сеть тонких трубок, расширяющуюся в сторону с большим количеством питательных веществ.

Выглядело это так. Исследователи взяли подложку из агара и разложили на ней кусочки овсяных хлопьев (приманку для слизевика) так, чтобы те представляли собой точную карту городов, лежащих вокруг японской столицы. Слизевик поместили в центр – он играл роль самого Токио.

Через 26 часов организм соединил трубками все вкусные «города», причем рациональным способом. Опыт повторили несколько раз, и в очень многих случаях карта выростов слизевика неплохо совпадала с картой железнодорожных линий вокруг Токио.

Японские ученые надеются, что именно желтый слизевик может дать ключ к созданию биокомпьютера, способного решать сложные задачи. Например, разработать проект идеальной транспортной сети.

Вообще простейшие, казалось бы, организмы подкидывают в последнее время загадки, от которых голова идет кругом у представителей вида с аномально развитым головным мозгом – Homo sapiens. В журнале Arthropod Structure and Development (2012. V. 41. P. 29–34) только что опубликовано исследование, которое проводил Алексей Полилов, сотрудник кафедры энтомологии Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова. Алексей работал, как сообщает портал elementy.ru, с одними из самых мелких летающих насекомых, соизмеримыми с одноклеточными организмами, – паразитическими осами из рода Megaphragma.

У этих насекомых длина тела составляет от 170 мкм (M. caribea) до 200 мкм (M. mymaripenne). Но при этом на мозг M. mymaripenne приходится 6% объема тела, в то время как у медоносной пчелы, например, мозг занимает всего 0,35–1,02% объема тела. Но самое поразительное, что в нервной системе взрослых насекомых 95% нейронов┘ не имеют ни клеточных тел, ни ядер. Такое строение нервной системы обнаружено впервые.

Как при таком строении центральной нервной системы эти микропаразитические осы ведут вполне сложную, «осмысленную» жизнь – полет, питание и способность искать хозяина для откладки в него яиц, – пока загадка. В общем, похоже, что мысль мотылька неисчерпаема так же, как электрон. Не исключено, кстати, что нейроны представляют собой так называемый синтиций, то есть кластер нейронов, работу которого обслуживают немногочисленные ядра общего пользования.

Страшно даже подумать, на что способна стая этих замечательных паразитов. Крошево мошек, так сказать. Волей-неволей напрашивается аналогия с персональным одноядерным компьютером и много-много-многоядерной супер-ЭВМ. Про Интернет я уже молчу.

Наиболее отважные футурологи давненько уже высказывали прогноз, что первым местом, где родится искусственный интеллект, будет какая-нибудь поисковая машина в Сети. Опять же возникает вопрос: по каким признакам мы узнаем о его рождении? Возможно, это будет резко возросшее количество нетривиальных ошибок в Сети. Возможно, что-то еще┘

И эта коллизия приходила в голову не только нашим современникам.

Рассказывают, что великий современник и коллега великого Исаака Ньютона по Лондонскому Королевскому Роберт Бойль так прокомментировал рассказ о том, как миссионеры-иезуиты представляли китайскому императору механические часы. Правитель Поднебесной якобы принял «механику» за живой организм. «Думаю, я смог бы вполне сносно объяснить действие этих часов, показав, что машина с таким устройством непременно должна показывать время, но я вряд ли смог привести доводы, которые разубедили бы китайского монарха в том, что часы наделены жизнью», – признался Бойль.

Самая большая молекула: ТОП 6 цепочек из атомов

Содержание

• 1. ДНК – хранилище сведений об устройстве организма
• Зачем криминалисты берут ДНК на анализы
• 2. Соединительный белок титин
• Можно ли создать человеческими руками белковую молекулу
• 3. Молекула-змея из картошки
• Крахмал на службе у человека
• 4. Синтетические полимеры
• Как полимеры людям жить помогают
• 5. Ботулотоксин, притаившийся во вздутой банке
• 6. Небелковый нейротоксин

Мы привыкли к тому, что молекула – это нечто крохотное, незримое, существующее скорее в воображении бородатых химиков, нежели в реальности. Однако самая большая молекула в природе – ДНК – вытянется на длину спички, а это более 4 см! Читайте о гигантских молекулах и их исключительном влиянии на наследственность человека. Узнайте об их участии в расследовании преступлений, об искусственно созданных молекулах, и о том, от какого яда чуть не умер путешественник Кук.

1. ДНК – хранилище сведений об устройстве организма

Абсолютным рекордсменом рейтинга является ДНК – самая длинная, массивная, сложная и красивая молекула в органической вселенной. Ее полный титул – дезоксирибонуклеиновая кислота, царица и повелительница клетки.

Молекула ДНК

ДНК принимает вид бесконечной винтовой лестницы с миллионами ступенек, в химической структуре которых хранится информация о каждом нашем свойства, будь то количество пальцев, дислокация печени или оттенок кожи. Когда рабочий белок-фермент движется по ступенькам, клетка штампует копию этой информации – своеобразный чертеж, согласно которому происходит любое действие в организме.

Спирали молекулы ДНК

Каждая спираль может менять свою длину. Растянем хорошенько ДНК и поразимся ее габаритам:

• 10 млрд атомов содержит ДНК первой хромосомы человека;
• 46 шт. – так мало ДНК нужно, чтобы записать полное досье на его тело;
• 2 м – на такую длину растягиваются эти 46 молекул, сцепленные вместе;
• 30 раз по маршруту «Земля – Солнце» и обратно – такова длина ДНК из всех клеток одного человека;
• 700 терабайт сведений хранится в 1 г ДНК.

Зачем криминалисты берут ДНК на анализы

Злоумышленники аккуратно стирают отпечатки пальцев и пользуются перчатками, но никому еще не удавалось стереть свои генетические следы. Эксперту достаточно реснички, обрезка ногтя, капли слюны, оставленной на сигарете или жевательной резинке, чтобы установить виновника. Из взятого на месте преступления биоматериала выделяют ДНК, многократно копируют ее и в специальном геле под воздействием электрического поля «ранжируют» по длине и массе.

Затем молекулы красят и сравнивают образцы с хромосомами предполагаемых «хозяев». У каждого индивидуума на ДНК проявляется неповторимый полосатый узор, и если обнаруживаются совпадения, значит, владелец образца найден.

Читайте также: Самая большая бактерия

Впервые методом ДНК-дактилоскопии воспользовался английский генетик Алек Джеффрис. В 1985 году у него попросили помощи в идентификации серийного убийцы, с чем ученый блестяще справился. Метод также применяют для опознания останков жертв катастроф и террористических актов, для установления спорного отцовства.

2. Соединительный белок титин

Смысл существования ДНК заключается в том, что по ней клетки создают главные стройматериалы – белки. Белковые молекулы поскромнее своей матрицы, но и коротышками их не назовешь. Самый длинный белок обнаружен в камбаловидной мышце голени. Это титин, который состоит из 38 тысяч аминокислот и достигает 3 млн атомных единиц массы.

Более короткие разновидности титина обнаружены в остальных мускулах и даже в сердце. Задача этого белка – соединить воедино двигательные белки мышечной клетки, чтобы обеспечить их мощные сокращения.

Можно ли создать человеческими руками белковую молекулу

Да, можно. Первым искусственно получили крохотный по меркам органической химии белок инсулин, отвечающий за стабильность уровня сахара в крови. Однако ресурсы для этого затратили немалые:

• 10 лет ушло на расшифровку состава инсулина;
• 227 химических реакций потребовалось для сборки белка;
• 0,001 % – такое количество инсулина от запланированного количества получили в итоге.

А живая клетка поджелудочной железы тратит на синтез необходимого объема инсулина 10 секунд. Поэтому гораздо выгоднее оказалось генетически модифицировать кишечную палочку, чтобы бактерия взяла на себя труд по созданию медицинского белка.

3. Молекула-змея из картошки

Прозаический продукт, источающий дразнящие запахи на сковородке, прячет в клубнях одну из длиннейших молекул в мире. Картофельный крахмал по структуре похож на бусы без конца и края. Десятки тысяч бусин, роль которых выполняет глюкоза, выстраиваются в бесконечные цепи, обеспечивая растение запасом питания до весны.

Молекула крахмала

Живые организмы склонны создавать длинные полимерные углеводы. Посчитаем их молекулярную массу:

• компонент крахмала амилопектин – до 6 млн атомных единиц;
• целлюлоза, за счет которой достигается твердость дерева – до 2 млн;
• хитин, образующий феноменально легкий панцирь краба и жука – 260 тыс.

Но даже им далеко до гликогена, 100 г которого способна накопить печень. Ветвистая, словно клубок водорослей, шарообразная молекула гликогена весит до 100 млн атомных единиц!

Крахмал на службе у человека

Раньше всего научились использовать крахмал в пищу. Для этого природа предоставила человеку сотни съедобных растений: пшеницу, кукурузу, рис, каштаны, фасоль, бананы. Правда, для лучшего усвоения крахмал подвергают тепловой обработке, при которой часть химических связей между бусинами-глюкозами разрывается, и молекулы укорачиваются.

Приятная глазу белизна и плотность постельного белья, кружев, сорочек и скатертей достигается за счет подкрахмаливания. Для такой процедуры крахмал разводят в холодной воде, ткань прополаскивают в ней, сушат, а потом отглаживают. На целлюлозно-бумажных комбинатах это вещество добавляют к бумажной массе для жесткости.

В советское время на основе крахмала варили обойный клей. В детских садиках с помощью крахмального клейстера учили малышей искусству аппликации и папье-маше.

4. Синтетические полимеры

Искусственный белок создать сложно, но если вещество обладает менее сложной структурой, то химическое предприятие справится с этой задачей. Производство полимеров, от довоенных целлулоида и плексигласа до современных термостойких пластмасс, обеспечивает человека тысячами предметов. 

Молекулы полимеров

Молекулы полимеров достигают значительной величины:

• полиакриламид – до 850 тыс. атомных единиц;
• полипропилен – до 700 тыс.;
• нейлон – до 80 тыс.

Как полимеры людям жить помогают

Небольшая перестройка структуры полимера влечет за собой кардинальное изменение его свойств. Из полимерных веществ получают пластмассы, резину, клеи, лаки, ткани. В конце прошлого века химические технологии добрались до зубных кабинетов. Теперь новые материалы превращаются в пломбы, штифты, вкладки, протезы и специальную массу для оттиска челюсти.

Последний десяток лет ознаменовался практическим применением трехмерной печати, с помощью которой изготавливают не только элементы конструктора лего, но и детали космических аппаратов. Фотополимеры, предназначенные для этой цели, дают точность до 16 микрон.

5. Ботулотоксин, притаившийся во вздутой банке

Масса молекулы этого ядовитого белка – 150 тыс. атомных единиц. Вырабатывают его бактерии клостридии, характерная особенность которых – непереносимость кислорода. Они охотно размножаются в консервах, особенно грибных, толстых залежавшихся колбасах. Угостившись пищей, которую облюбовали клостридии, человек погибает от паралича дыхательных мышц.

Структура молекулы ботулотоксина

Ботулотоксин быстро попадает в организм не только через слизистую кишечника, но и через поверхность глаз и кожи. Во время Второй мировой американские военные всерьез рассматривали его как биологическое оружие.

6. Небелковый нейротоксин

В 1774 году капитан британских королевских военно-морских сил Джеймс Кук отравился печенью морской рыбы, которую в тот день готовили на ужин. Судовой хирург спас его рвотными средствами, но только спустя 100 лет обнаружили причину внезапного паралича капитана. Выяснилось, что рыба питалась моллюском сигуатерой, а тот – водорослями-динофлагеллятами, которые вырабатывают майтотоксин.

Структура молекулы майтотоксина

Молекулярная масса майтотоксина составляет 3700 атомных единиц, и это крупнейшая молекула небелковой природы, которую вырабатывает живой организм. В 1993 году химики Токийского университета исследовали ее структуру с помощью технологии ядерного магнитного резонанса. Оказалось, что молекула выглядит, как цепочка из 32 шестиугольных колечек, изогнутая наподобие поднявшей голову гусеницы.

Загадочный мир гигантских молекул не раскрыт до конца. Ученые найдут их новые свойства, видоизменят структуру и непременно поставят на службу человеку.

комплексная органическая молекула, обнаруженная в межзвездном пространстве

• Опубликовано

  26 сентября 2014 г.

Источник изображения, ESO/B.Tafreshi

. Автор: Michael Eyre

Научный репортер

Ученые обнаружили зачатки жизненной химии в центре галактики.

Изопропилцианид был обнаружен в звездообразующем облаке на расстоянии 27 000 световых лет от Земли.

Его разветвленная углеродная структура ближе к сложным органическим молекулам жизни, чем любая предыдущая находка из межзвездного пространства.

Открытие предполагает, что строительные блоки жизни могут быть широко распространены по всей нашей галактике.

Ранее в межзвездном пространстве были обнаружены различные органические молекулы, но i-пропилцианид является первым с разветвленной углеродной цепью.

Разветвленная структура важна, поскольку она показывает, что межзвездное пространство может быть источником более сложных разветвленных молекул, таких как аминокислоты, которые необходимы для жизни на Земле.

Доктор Арно Беллош из Института радиоастрономии им. Макса Планка является ведущим автором исследования, опубликованного в журнале Science.

«Аминокислоты на Земле являются строительными блоками белков, а белки очень важны для жизни, какой мы ее знаем. Вопрос на заднем плане: есть ли жизнь где-то еще в галактике?»

Наблюдайте за небом

Молекула была обнаружена в гигантском газовом облаке под названием Стрелец B2, активной области продолжающегося звездообразования в центре Млечного Пути.

Когда звезды рождаются в облаке, они нагревают микроскопические пылинки. Химические реакции на поверхности пыли позволяют образовываться сложным молекулам, таким как изопропилцианид.

Молекулы испускают излучение, которое было обнаружено в виде радиоволн двадцатью 12-метровыми телескопами на Большой миллиметровой решетке Атакама (Альма) в Чили.

Каждая молекула производит свой «спектральный отпечаток» частот. «Игра заключается в сопоставлении этих частот… с молекулами, которые были охарактеризованы в лаборатории», — объяснил доктор Беллош.

«Наша цель — поиск новых сложных органических молекул в межзвездной среде.»

Ранее обнаруженные молекулы в облаке Стрельца B2 включают виниловый спирт и этилформиат, химическое вещество, которое придает вкус малине и запах рому.

Но изопропилцианид является самой крупной и сложной органической молекулой, обнаруженной на сегодняшний день, и единственной, имеющей разветвленный атомный скелет аминокислот.

«Идея состоит в том, чтобы узнать, можно ли найти элементы, необходимые для возникновения жизни. .. в других местах нашей галактики.»

Профессор Мэтт Гриффин, глава школы физики и астрономии Кардиффского университета, прокомментировал открытие.

«Это явно очень качественные данные — очень четкое обнаружение с множественными спектральными сигнатурами, которые видны вместе.»

Профессор Гриффин добавил, что обнаруженное количество изопропилцианида является значительным.

Источник изображения, M.Koerber

Подпись к изображению,

Молекула i-пропилцианида имеет разветвленную основу из атомов углерода

очень распространено, может быть, даже является нормой, когда речь идет о простых органических молекулах в космосе.

«Это еще один шаг к открытию молекул, которые можно рассматривать как строительные блоки или предшественники… аминокислот.»

Есть надежда, что аминокислоты в конечном итоге будут обнаружены за пределами нашей Солнечной системы. «Это то, что все хотели бы видеть», — сказал профессор Гриффин.

Если аминокислоты широко распространены по всей галактике, возможно, там будет и жизнь.

«Пока у нас нет достаточной чувствительности для обнаружения сигналов от [аминокислот]… в межзвездной среде», — объяснил доктор Беллош. «Похоже, межзвездная химия способна образовывать эти аминокислоты, но на данный момент у нас нет доказательств».0005

«В будущем Альма сможет сделать это, как только будут доступны все возможности.»

Профессор Гриффин согласился, что это может быть первым из многих дальнейших открытий на «фантастически чувствительном и мощном» объекте Альма.

Самые сложные молекулы во Вселенной

Это открытие, которое также дает ключ к разгадке одного из самых загадочных явлений в астрофизике — диффузных межзвездных полос — только что было опубликовано в Astronomy and Astrophysics Letters

Исследователи Канарского астрофизического института (IAC) обнаружили доказательства того, что присутствие «углеродных луковиц» и других крупных молекул, полученных из фуллерена (формы углерода), может быть обычным явлением в космосе. Это самые сложные молекулы, обнаруженные до сих пор, и их открытие имеет важные последствия для нашего понимания околозвездной и межзвездной физики и химии, а также молекулярных процессов на последних стадиях звездной эволюции.

Исследование, сочетающее астрономические наблюдения и физическую теорию, обнаружило доказательства существования этих молекул в окрестностях двух планетарных туманностей, богатых наиболее распространенной формой фуллерена (C60), что указывает на то, что его присутствие может быть более распространенным, чем считалось ранее. «Планетарные туманности [звезды с малой массой на последних этапах своей жизни] производят органические молекулы, которые они позже выбрасывают в космос, поэтому они имеют фундаментальное значение для нашего понимания молекулярных процессов в межзвездной среде, где формируются новые звезды и планеты. и они помогают нам понять процесс образования молекул, которые являются предшественниками жизни», — объясняет Анибал Гарсия-Эрнандес, первый автор статьи.

В прошлом ученые размышляли о том, что фуллерены, которые могут действовать как ловушки для других молекул и атомов, могли принести на Землю вещества, которые могли дать начало жизни. Доказательства этой теории связаны с тем фактом, что фуллерены C60 были обнаружены в метеоритах, несущих внеземные газы. Однако «все это просто предположения», — говорит Гарсия-Эрнандес.

Работа также дает новый взгляд на понимание происхождения и состава так называемых диффузных межзвездных полос (DIB), одного из самых загадочных явлений в астрофизике. Рассеянные по всему пространству молекулы, ответственные за эти полосы, улавливают часть видимого света, излучаемого звездами, который затем доходит до нас слегка затемненным. Когда они исследовали оптический спектр планетарных туманностей, исследователи обнаружили, что два известных DIB казались особенно интенсивными, и что появилась до сих пор неизвестная полоса.

Эти наблюдения согласуются с более ранними теоретическими исследованиями больших и сложных фуллеренов (углеродных онионов или фуллеренов с несколькими оболочками, таких как C60@C240 и C60@C240@C540) и их гипотетическим поведением в космосе: «Эти сложные фуллерены не могут быть изучены в лаборатории. с современными методами, поэтому мы основывали нашу работу на теоретических расчетах, доступных в литературе, и объединили их с астрономическими наблюдениями, и данные совпадают», — объясняет Гарсия-Эрнандес. «Фуллерены в их разнообразных проявлениях (углеродные луковицы, кластеры фуллеренов или даже сложные виды, образованные фуллеренами и другими молекулами, такими как углеводороды или атомы) могут стать ключом к разгадке тайны DIB», — заключает он.

«Следующий шаг — охарактеризовать все DIB в этих планетарных туманностях, а также синтезировать и охарактеризовать новые молекулы на основе фуллеренов, сравнивая их с астрономическими данными», — добавляет Хайро Диас-Луис, соавтор исследования. «Раскрытие секрета DIB поможет нам понять, из чего состоит межзвездная среда в каждой части Вселенной», — заключает он.

Диффузные межзвездные полосы

Открытые 90 лет назад диффузные межзвездные полосы обнаруживаются во всех направлениях в космосе (известно более 400). Они более интенсивны в областях обильной межзвездной пыли и характеризуются поглощением ими части видимого света, излучаемого звездами. Действительно, мы знаем, что они существуют, потому что определенные длины волн тускнеют, когда мы наблюдаем видимый спектр, излучаемый звездой. Поэтому исследователи делают вывод о наличии чего-то между нами и звездой. Этот материал генерирует характерные полосы поглощения (так называемые диффузные полосы) на спектрограмме звезды (как отпечатки пальцев).

Исследователи могут изучать DIB и их состав только косвенно, предположив на основе лабораторных экспериментов и теоретических расчетов, какой класс молекул может улавливать свет именно таким образом. Уже некоторое время подозревают, что они могут быть созданы молекулами на основе углерода. Команда IAC подтверждает эту теорию, а также идентифицирует особый класс молекул углерода, сложные фуллерены (углеродные луковицы или фуллерены с несколькими оболочками). Их результаты будут представлены на следующем симпозиуме Международного астрономического союза по диффузным межзвездным полосам, который состоится в Нидерландах в мае следующего года.