Weird Science

Sztuczna komórka w praktyce

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w cza­so­pi­śmie dla nau­czy­cieli Bio­lo­gia w Szkole (1/2021):

Ilustracja

Ples M., Sztuczna komórka w prak­tyce, Bio­lo­gia w Szkole, 1 (2021), Forum Media Pol­ska Sp. z o.o., str. 54-57

Każdy czło­wiek, a w szcze­gól­no­ści przy­rod­nik zadaje sobie cza­sem pyta­nie o to, czym wła­ści­wie jest życie. Intu­i­cyj­nie wydaje się nam, że potra­fimy udzie­lić odpo­wie­dzi na to pyta­nie, ale kiedy zasta­no­wimy się głębiej nad tym tema­tem to zaczy­namy sobie zda­wać sprawę z jego pro­ble­ma­tycz­no­ści.

Bio­rąc pod uwagę zróżn­i­co­wane kry­te­ria możemy stwier­dzić, że naj­ważn­iej­szą cechą tego nie­sa­mo­wi­cie skom­pli­ko­wa­nego pro­cesu fizy­ko­che­micz­nego - okre­śla­nego przez nas życiem - jest zdol­ność i jed­no­cze­śnie potrzeba ciągłej wymiany mate­rii i ener­gii z oto­cze­niem. Oczy­wi­ście, znane nam orga­ni­zmy żywe wyka­zują także inne wła­ściwe sobie cechy. Jedną z nich jest zdol­ność do rozm­na­ża­nia się, co wynika z ogra­ni­czo­nego czasu życia każd­ego osob­nika.

Naj­prost­szymi for­mami życia są poje­dyn­cze komórki. Posia­dane przez nas dzi­siaj tech­niki pozwa­lają na syn­te­zo­wa­nie w spo­sób sztuczny wielu orga­nicz­nych sub­stan­cji che­micz­nych - często o bar­dzo wyso­kim stop­niu zło­żo­no­ści i wła­ści­wie poza spo­so­bem pow­sta­nia nie różn­iących się niczym od tych występu­jących w natu­rze. A jed­nak, nawet naj­prost­sza komórka ciągle się wymyka jesz­cze naszemu pozna­niu jako całość - mimo, że wiemy już bar­dzo dużo, można sądzić, że wiele jesz­cze czasu minie zanim będziemy zdolni do sztucz­nego wytwa­rza­nia struk­tur choćby w przy­bli­że­niu tak skom­pli­ko­wa­nych jak te naj­prost­sze mikro­or­ga­ni­zmy.

Żywy orga­nizm pod­lega takim samym pra­wom fizycz­nym jak każdy nie­o­ży­wiony przed­miot. Życie ma jed­nak to do sie­bie, że jako skom­pli­ko­wany zespół różn­o­rod­nych pro­ce­sów wymaga ciągłego dopływu ener­gii w celu utrzy­ma­nia ich upo­rząd­ko­wa­nia, a więc zacho­wa­nia niższej entro­pii w sto­sunku do oto­cze­nia. Na tym opiera się fizy­kalna inter­pre­ta­cja zja­wi­ska home­o­stazy. Wynika z tego także, że życie jako zespół sprzężo­nych pro­ce­sów powinno dać się opi­sać za pomocą zależn­o­ści fizycz­nych, che­micz­nych czy mate­ma­tycz­nych; pozna­nie praw nim rządzących powinno pomóc nam je zro­zu­mieć. Jak już jed­nak wspom­nia­łem, naj­więk­szym pro­ble­mem jest tutaj sto­pień kom­pli­ka­cji oma­wia­nych zja­wisk.

Zgod­nie z teo­rią komór­kową Sch­wanna pod­sta­wową jed­nostką struk­tu­ralną i orga­ni­za­cyjną życia jest komórka. Nie ist­nieją twory żywe o mniej­szym stopni kom­pli­ka­cji niż komórka. Zależy to jed­nak od defi­ni­cji życia. W każdym razie przyj­muje się dzi­siaj, że wirusy, wiro­idy i priony pozba­wione struk­tury komór­ko­wej i wła­snego meta­bo­li­zmu nie należą do kate­go­rii orga­ni­zmów żywych - mimo, ze wyka­zują pewne ich cechy.

Według uprosz­czo­nego modelu komórka przed­sta­wia sobą rodzaj nie­wiel­kiego pęche­rzyka pokry­tego błoną komór­kową (w przy­padku komórek roślin­nych także ścianą komór­kową) i wypełn­io­nego wła­ści­wymi sobie orga­nel­lami komór­ko­wymi zawie­szo­nymi w bez­po­sta­cio­wym cyto­zolu. Występo­wa­nie wew­nątrz komórki jądra zawie­ra­jącego mate­riał gene­tyczny jest pod­stawą podziału orga­ni­zmów na jądrowe (euka­rionty, łac. Euca­ry­ota) i bez­jądrowe (pro­ka­rionty, łac. Pro­ca­ry­ota). U więk­szo­ści pro­ka­rion­tów, roślin, grzy­bów i niek­tórych innych grup orga­ni­zmów na zew­nątrz błony komór­ko­wej występuje dodat­kowo cha­rak­te­ry­styczna struk­tura o zło­żo­nej i zróżn­i­co­wa­nej budo­wie – ściana komór­kowa. Jest to struk­tura mar­twa, nie wyka­zu­jąca wła­snego meta­bo­li­zmu. Wew­nątrz komórki znaj­duje się cyto­pla­zma, a u euka­rion­tów także sze­reg wew­nętrz­nych orga­nelli pełn­iących okre­ślone funk­cje, np. mito­chon­dria, pla­stydy, apa­rat Gol­giego, waku­ole i inne.

Zau­ważmy, że rola błon (czy to błony komór­ko­wej, czy też błon ota­cza­jących orga­nella) jest bar­dzo ważna. Jak już stwier­dzi­li­śmy, życie na pozio­mie mole­ku­lar­nym jest zło­żo­nym zespo­łem ści­śle sprzężo­nych pro­ce­sów fizyko-che­micz­nych i z tego powodu wymaga do ich pro­wa­dze­nia odpo­wied­nich warun­ków, m.in. oddzie­le­nia śro­do­wi­ska wew­nętrz­nego od zew­nętrz­nego. Z dru­giej strony, błona komór­kowa jako bariera nie może być jcałk­o­wi­cie nie­prze­pusz­czalna, ponie­waż żadna komórka nie mogłaby żyć jako układ pozba­wiony możl­i­wo­ści wymiany mate­rii i ener­gii z oto­cze­niem.

Bio­rąc pod uwagę powyższe, możemy stwier­dzić, że błona komór­kowa z jed­nej strony musi sta­no­wić barierę oddzie­la­jącą wnętrze komórki od śro­do­wi­ska zew­nętrz­nego, a jed­no­cze­śnie umożl­i­wiać tran­s­port pew­nych sub­stan­cji. Takie warunki spełnia błona (mem­brana) półprz­pusz­czalna.

Zja­wi­sko pole­ga­jące na wybiór­czym prze­pły­wie okre­ślo­nych sub­stan­cji przez błonę półp­rze­pusz­czalną nazy­wamy osmozą. Wiele feno­me­nów z nią związa­nych możemy obser­wo­wać na przy­kła­dzie natu­ral­nych błon bio­lo­gicz­nych – jest z nim związana choćby łatwa do zba­da­nia nawet w warun­kach szkol­nych pla­zmo­liza [1][2]. Co cie­kawe, podobne zja­wi­ska możemy obser­wo­wać także w przy­padku ukła­dów sztucz­nych, a niek­tóre z nich swoim zacho­wa­niem przy­po­mi­nają w niek­tórych aspek­tach żywe komórki. Tak jest na przy­kład z tzw. komórką Trau­bego i tzw. krze­mia­no­wymi ogro­dami che­micz­nymi, które bez pro­ble­mów możemy wyho­do­wać w naszej pra­cowni. Na początek musimy jed­nak przy­pom­nieć sobie nieco wia­do­mo­ści na temat samej osmozy.

Zja­wi­sko osmozy

Błona półp­rze­pusz­czalna to taka bariera, która prze­pusz­cza niek­tóre rodzaje cząste­czek, a zatrzy­muje inne. Mogą przez nią prze­ni­kać np. nie­wiel­kie cząsteczki roz­pusz­czal­nika, swo­body takiej nie mają duże cząsteczki sub­stan­cji roz­pusz­czo­nej lub jony.

Osmozę napędza dyfu­zja, będąca pro­ce­sem samo­rzut­nego – a więc nie wyma­ga­jącego dopływu ener­gii – roz­prze­strze­nia­nia się cząste­czek mate­rial­nych lub ener­gii w dowol­nym ośrodku (cho­ciaż w ciele sta­łym zacho­dzi dużo wol­niej niż w gazie lub cie­czy) o tem­pe­ra­tu­rze wyższej od zera abso­lut­nego. Na pozio­mie mole­ku­lar­nym dyfu­zja jest efek­tem cha­o­tycz­nych zde­rzeń cząstek sub­stan­cji dyfun­du­jącej między sobą i z cząst­kami ośrodka.

Zasta­nówmy się jed­nak, co się sta­nie w przy­padku, kiedy za pomocą błony półp­rze­pusz­czal­nej roz­dzie­limy dwa roz­twory o zróżn­i­co­wa­nym stęże­niu (Rys.1). Zau­ważmy, że w pra­wej czę­ści naczy­nia stęże­nie sub­stan­cji roz­pusz­czo­nej jest dużo więk­sze niż w lewej. Przez zazna­czoną w postaci sza­rej prze­grody błonę półp­rze­pusz­czalną mogą prze­ni­kać jedy­nie nie­bie­skie cząstki roz­pusz­czal­nika, nato­miast dużo więk­sze czer­wone cząstki sub­stan­cji roz­pusz­czo­nej nie mają takiej możl­i­wo­ści.

Ilustracja
Rys.1 – Dyfu­zja przez błonę półp­rze­pusz­czalną; nie­bie­ski – roz­pusz­czal­nik, czer­wony – sub­stan­cja roz­pusz­czona, szary – błona półp­rze­pusz­czalna, strzałka obra­zuje efek­tywny kie­ru­nek prze­ni­ka­nia roz­pusz­czal­nika przez błonę półp­rze­pusz­czalną

W takim przy­padku cząsteczki roz­pusz­czal­nika mają częst­szy kon­takt z błoną po stro­nie o niższym stęże­niu sub­stan­cji roz­pusz­czo­nej, która sta­nowi w pewien spo­sób kon­ku­ren­cję w dostępie do owej błony. Powo­duje to, że więcej cząste­czek roz­pusz­czal­nika prze­nika przez błonę w kie­runku od roz­tworu mniej stężo­nego do bar­dziej stężo­nego, niż odw­rot­nie, co wła­śnie nazy­wamy osmozą. Zau­ważmy, że w jej wyniku docho­dzi do powol­nego wyrów­ny­wa­nia się stężeń roz­two­rów po obu stro­nach błony półp­rze­pusz­czal­nej: roz­twór o niższym stęże­niu ulega zatęże­niu poprzez odpływ roz­pusz­czal­nika, zaś bar­dziej stężony ulega roz­cieńcze­niu przez jego dopływ. Wido­mym tego efek­tem jest pod­no­sze­nie się poziomu cie­czy po pra­wej (na Rys.1) stro­nie prze­grody.

Roz­twór o niższym stęże­niu nazywa się hipo­to­nicz­nym, nato­miast ten o wyższym stęże­niu, hiper­to­nicz­nym. Gdy roz­twory pozo­stają w rów­no­wa­dze osmo­tycz­nej (tzn. wymiana roz­pusz­czal­nika zacho­dzi w tym samym tem­pie w obu kie­run­kach), roz­twory stają się względem sie­bie izo­to­niczne.

Sztuczna komórka

Komórka Trau­bego, nazy­wana też cza­sami nieco na wyrost sztuczną komórką została po raz pierw­szy wytwo­rzona w poło­wie XIX wieku przez nie­miec­kiego che­mika Moritza Traube. Aby pow­tórzyć doświad­cze­nia prze­pro­wa­dzone przez tego bada­cza potrze­bu­jemy:

Uwod­niony siar­czan(VI) mie­dzi(II) jest nie­bie­ski (Fot.1). W postaci kry­sta­licz­nej sól ta bywa nazy­wana witrio­lem mie­dzi lub sinym kamie­niem. W natu­rze występuje w sąsiedz­twie pokła­dów rud mie­dzi jako chal­kan­tyt – piękny mine­rał kolek­cjo­ner­ski.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.1 – Krysz­tały uwod­nio­nego siar­czanu(VI) mie­dzi(II)

Drugą potrzebną nam sub­stan­cją jest uwod­niony hek­sa­cy­ja­no­że­la­zian(II) potasu. Nazywa się go często – szcze­gól­nie w daw­niej­szej lite­ra­tu­rze – żela­zo­cy­jan­kiem potasu lub żółtą solą Gme­lina [3]. Hek­sa­cy­ja­no­że­la­ziany(II) są solami kom­plek­so­wymi, w których ato­mem cen­tral­nym jest żelazo na II stop­niu utle­nie­nia, a ligan­dami 6 anio­nów cyjan­ko­wych (Rys.2). Struk­tura tej sub­stan­cji che­micz­nej odz­na­cza się swo­i­stym geo­me­trycz­nym pięk­nem.

Ilustracja
Rys.2 – Struk­tura jonu hek­sa­cy­ja­no­że­la­zia­no­wego(II)

Hek­sa­cy­ja­no­że­la­zian(II) potasu w warun­kach nor­mal­nych występuje jako żółt­awe krysz­tały (Fot.2).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.2 – Krysz­tały uwod­nio­nego hek­sa­cy­ja­no­że­la­zian(II) potasu

Co cie­kawe, mimo że oma­wiany związek można uwa­żać za pochodną sil­nie tru­jącego cyja­no­wo­doru HCN, to z powodu wyso­kiej trwa­ło­ści kom­pleksu jest on prak­tycz­nie nie­tok­syczny. Koniecz­nie trzeba jed­nak pamiętać, że w reak­cji hek­sa­cy­ja­no­że­la­zia­nów z moc­nymi kwa­sami docho­dzi do uwol­nie­nia wspom­nia­nego uprzed­nio skraj­nie nie­bez­piecz­nego gazu! Pamiętajmy więc, aby nigdy nie dopusz­czać do kon­taktu soli Gme­lina lub pozo­sta­ło­ści po doświad­cze­niu z jaki­mi­kol­wiek kwa­sami.

Cho­ciaż w doświad­cze­niach nie uży­wamy tym razem żad­nych tok­sycz­nych czy nie­bez­piecz­nych z innych powo­dów sub­stan­cji ani mate­ria­łów, to musimy jak zaw­sze zacho­wać ostrożn­ość i sto­so­wać odpo­wied­nie środki och­rony oso­bi­stej.

Chciałbym w tym miej­scu zazna­czyć, że potrzebny nam związek posiada swoje rodzeńs­two - bar­dzo podobne, ale o nieco odmien­nych wła­ści­wo­ściach. Jest to hek­sa­cy­ja­no­że­la­zian(III) potasu K3[Fe(CN)6], który jed­nak odz­na­cza się pięk­nym czer­wo­nym kolo­rem, bar­dzo odmien­nym od żółtej barwy potrzeb­nego nam heza­cy­ja­no­że­la­zianu(II) potasu. Pamiętajmy jed­nak aby nie pomy­lić tych dwóch sub­stan­cji.

Jeśli posia­damy już obie potrzebne sub­stan­cje, to kolejną rze­czą jaką musimy zro­bić jest przy­go­to­wa­nie roz­tworu soli mie­dzi. Odpo­wied­nie będzie stęże­nie w zakre­sie 5-7%, a nawet nieco więk­sze. Roz­twór taki ma wyraźnie błękitne zabar­wie­nie.

Aby wytwo­rzyć komórki Trau­bego, do takiego roz­tworu musimy wrzu­cić kilka nie­zbyt małych krysz­ta­łów hek­sa­cy­ja­no­że­la­zianu(II).

Postęp pro­cesu począt­kowo jest naj­ła­twiej śle­dzić za pomocą szkła powięk­sza­jącego. Krysz­tałki począt­kowo wydają się ciem­nieć. Po chwili staje się widoczne, że to nie same krysz­tały zmie­niają barwę, a raczej two­rzy się wokół nich bru­natna błonka. Co cie­kawe, zaczyna ona dosyć szybko powięk­szać swoją objętość i wręcz w oczach rosnąć. Po chwili błona zaczyna two­rzyć wypustki skie­ro­wane ku górze, w kie­runku powierzchni roz­tworu. Po paru minu­tach możemy podzi­wiać w naczy­niu twory przy­po­mi­na­jące np. wodo­ro­sty, polipy, gałązki i całe rośliny (Fot.3).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.3 – Komórki Trau­bego

Pow­stałe struk­tury odz­na­czają się de­li­kat­no­ścią, ale – póki nie wstrząsamy zbyt sil­nie naczy­niem – są dosyć trwałe i można je dosyć długo prze­cho­wy­wać razem z cie­czą.

Innym przy­kła­dem podob­nego feno­menu jest two­rze­nie się tak zwa­nych ogro­dów che­micz­nych. Aby je otrzy­mać wystar­czy wrzu­cić do wod­nego roz­tworu krze­mianu sodu lub potasu (dostęp­nego w han­dlu jako tzw. szkło wodne) kilka krysz­ta­łów roz­pusz­czal­nych soli metali takich jak żelazo Fe, kobalt Co, Nikiel Ni, miedź Cu, sre­bro Ag i innych [4]. W ten spo­sób zapo­cząt­ku­jemy wzrost struk­tur o różn­ych ksz­tałt­ach i bar­wach, które ufor­mują w końcu piękny, pod­wodny ogród sta­no­wiący dzieło tej pseu­do­we­ge­ta­cji (Fot.4).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.4 – Che­miczny ogródek

Zau­ważmy, że opi­sane struk­tury, mimo całk­o­wi­cie nie­or­ga­nicz­nego pocho­dze­nia, prze­ja­wiają pewne podo­bieńs­twa funk­cjo­nalne do orga­ni­zmów żywych – wyka­zują między innymi zdol­ność do wzro­stu. Jak prze­ko­namy się dalej, podo­bieńs­twa sięgają nawet głębiej.

Wyja­śnie­nie

Nie­przy­pad­kowo wcze­śniej wspom­nia­łem o osmo­zie, pełni ona bowiem donio­słą rolę w for­mo­wa­niu komórek Trau­bego i che­micz­nych ogro­dów.

Po wrzu­ce­niu krysz­tału hek­sa­cy­ja­no­że­la­zianu(II) docho­dzi na jego powierzchni do reak­cji z jonami Cu2+ (pocho­dzącymi z dyso­cja­cji soli mie­dzi), co pro­wa­dzi do pow­sta­nia bru­nat­nego hek­sa­cy­ja­no­że­la­zianu(II) mie­dzi(II) o wzo­rze Cu2[Fe(CN)6]. Związek ten jest w odróżn­ie­niu od obu sub­stra­tów prak­tycz­nie nie­roz­pusz­czalny w wodzie, dzięki czemu docho­dzi do pow­sta­nia szczel­nej błony na powierzchni krysz­tału - co ważne, ma ona wła­ści­wo­ści błony półp­rze­pusz­czal­nej. Wew­nątrz błony two­rzącej pęche­rzyk stęże­nie roz­pusz­czo­nej soli jest dużo więk­sze niż na zew­nątrz, więc na sku­tek osmozy wpływa do niego woda, a tym samym ciśnie­nie wew­nątrz rośnie – pociąga to za sobą roz­dęcie pęche­rzyka, a w końcu jego pęk­nięcie [5]. Wtedy część stężo­nego roz­tworu ulega wyla­niu na zew­nątrz, docho­dzi do kolej­nej reak­cji i pow­sta­nia w miej­scu pęk­nięcia nowej błony półp­rze­pusz­czal­nej. Opi­sany pro­ces pow­ta­rza się cyklicz­nie, dając w końcu twory podobne do rosnących roślin lub innych struk­tur bio­lo­gicz­nych.

Ana­lo­gicz­nie pow­stają ogrody krze­mia­nowe – jedyna różn­ica jest taka, że błona półp­rze­pusz­czalna jest w tym przy­padku utwo­rzona przez krze­miany odpo­wied­nich metali [6][7].

Zau­ważmy, że nasze „sztuczne komórki” w spo­sób wybiór­czy – cho­ciaż na zasa­dzie tran­s­portu bier­nego – wymie­niają ze swoim śro­do­wi­skiem mate­rię, co umożl­i­wia im obser­wo­wany przez nas wzrost i uzy­ska­nie osta­tecz­nej formy. W tym sen­sie owe struk­tury naśla­dują niek­tóre z naj­prost­szych pro­ce­sów życio­wych zacho­dzących w praw­dzi­wych komór­kach [8].

Opi­sane doświad­cze­nie w inte­re­su­jący spo­sób uka­zuje zja­wi­sko osmozy, które często wydaje się jed­nym z trud­niej uch­wyt­nych w życiu codzien­nym feno­me­nów. Trzeba jed­nak pamiętać, że pełni ono nie­ba­ga­telną rolę w tym naj­cie­kaw­szym zja­wi­sku, które nazy­wamy życiem – wiele błon bio­lo­gicz­nych jest prze­cież wła­śnie bło­nami półp­rze­pusz­czal­nymi.

Lite­ra­tura:

Auto­rem foto­gra­fii i rysun­ków jest Marek Ples.

W powyższym tek­ście doko­nano nie­wiel­kich zmian edy­tor­skich w sto­sunku do wer­sji opu­bli­ko­wa­nej w  cza­so­pi­śmie, w celu uzu­pełn­ie­nia i lep­szego przy­sto­so­wa­nia do pre­zen­ta­cji na stro­nie inter­ne­to­wej.

Marek Ples

Aa