Dołącz do czytelników
Brak wyników

Laboratorium

18 stycznia 2021

NR 42 (Styczeń 2021)

Sztuczna komórka w praktyce

0 211

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 i chcemy odpowiedzieć bardziej szczegółowo, to nie jest już tak łatwo.
Biorąc pod uwagę zróżnicowane kryteria, możemy stwierdzić, że najważniejszą cechą tego niesamowicie skomplikowanego procesu fizykochemicznego – określanego przez nas życiem – jest zdolność i jednocześnie potrzeba do 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 nieróżniących 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 polega 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 stopniu komplikacji niż komórka. Zależy to jednak od definicji życia. W każdym razie przyjmuje się dzisiaj, że wirusy, wiroidy i priony pozbawione struktury komórkowej ani własnego metabolizmu nie należą do kategorii organizmów żywych, mimo że 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, niewykazująca 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 całkowicie 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.

POLECAMY

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 niewymagającego 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.
 

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, a nie 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”. Widocznym tego efektem jest podnoszenie się poziomu cieczy po prawej 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), stają się względem siebie izotoniczne.

Sztuczna komórka

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

  • pentahydratu siarczanu(VI) miedzi(II) CuSO4·5H2O,
  • heksacyjanożelazianu(II) potasu K4[Fe(CN)6]·3H2O.

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. 
 

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


Drugą potrzebną nam substancją jest uwodniony heksacyjanożelazian(II) potasu K4[Fe(CN)6] · 3H2O. 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.
 

Rys. 2. Struktura jonu heksacyjanożelazianowego(II)


Heksacyjanożelazian(II) potasu w warunkach normalnych występuje w formie żółtawych kryształów (fot. 2).
 

Fot. 2. Kryształy uwodnionego heksacyjanożelazianu(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 ma 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,...

Pozostałe 70% treści dostępne jest tylko dla Prenumeratorów

Co zyskasz, kupując prenumeratę?
  • 6 wydań czasopisma "Biologia w Szkole"
  • Dostęp do wszystkich archiwalnych artykułów w wersji online
  • ...i wiele więcej!
Sprawdź

Przypisy