Water Forms Massive Exclusion Zones المياه أشكال ضخمة مناطق الاستبعاد

Water, the most abundant constituent of living organisms, is associated with an enormous amount of surfaces inside cells and in the extracellular matrix. والمياه ، والأكثر وفرة المكونة من الكائنات الحية ، ويرتبط وجود كمية هائلة من الأسطح وداخل الخلايا في المصفوفة خارج الخلية. Is all of this biological water different from water in bulk? هل كل هذا من المياه البيولوجية المختلفة في الجزء الأكبر من المياه؟ The answer is definitely yes, if the incredible new findings are to be taken on board. Dr. والجواب هو بالتأكيد نعم ، إذا كان لا يصدق هذه النتائج الجديدة هي التي ينبغي اتخاذها على متن الطائرة. د. Mae-Wan Ho reports ماي وان هو بين التقارير

What is biological water? ما هي المياه البيولوجية؟

"Biological" water includes practically all the water in living organisms, inside the cell as well as in the extra-cellular matrix, except, possibly, for large reservoirs or conduits such as the bladder, gut, stomach and vacuoles inside some cells. "البيولوجي" المياه وتشمل عمليا جميع الكائنات الحية في المياه ، داخل الخلية وكذلك في المصفوفة خارج الخلوي ، ما عدا ، ربما ، أو خزانات كبيرة لقنوات مثل المثانة ، الأمعاء الغليظة ، المعدة وفراغات داخل بعض الخلايا. Biological water is rarely far from the surface of a membrane or a macromolecule such as proteins, nucleic acids and polysaccharides like starch and glycogen. ونادرا ما البيولوجية المياه بعيدا عن سطح غشاء أو جزيء ضخم مثل البروتينات ، الأحماض النووية وpolysaccharides مثل النشا والجليكوجين.

Inside the cell, the concentration of proteins in cytoplasm is between 170 to 300 mg/ml, which suggests that 7 to 9 shells of water (hydration shells) coat the available surfaces, corresponding to a distance of 4 to 5nm (nanometre, 10 ^-9 m) between the surfaces. داخل الخلية ، تركيز البروتينات في السيتوبلازم هو بين 170 إلى 300 ملغ / مل ، مما يشير إلى أن 7 إلى 9 قذائف من الماء (الماء قذائف) معطف المتاحة السطوح ، المقابلة لمسافة 4 إلى 5nm (nanometre ، 10 ^{-- 9} م) بين السطوح. A substantial fraction of the water is quite closely associated (at a distance of less than 0.5nm) with the proteins, nucleic acids, polysaccharides and assemblies of smaller molecules that make up an organism, and is essential for their functioning. جزء كبير من المياه هو ارتباط وثيق جدا (على مسافة أقل من 0.5nm) مع البروتينات والأحماض النووية ، polysaccharides والجمعيات من أصغر الجزيئات التي يتكون منها كائن حي ، وأمر ضروري لأداء وظائفهما.

The idea that cell water is distinct from bulk liquid water goes back a long way to pioneers like Gilbert Ling and Albert Szent-Györgyi in the 1960s and 70s; to many physicists and chemists in the latter half of the 19 ^th century fascinated by the distinctive properties of ‘protoplasm’ inside living cells. فكرة أن الخلية المياه يتميز الجزء الأكبر من المياه السائلة يعود عهده إلى زمن بعيد لرواد مثل جيلبرت لينغ وألبرت زينت - Györgyi في 1960s و70s ؛ لكثير من الكيميائيين وعلماء الفيزياء في النصف الأخير من القرن ^ال 19 مفتونة المميزة خواص 'الجبلة' داخل الخلايا الحية.

Since the 1970s, many physical and physiological techniques have demonstrated that cell water behaves very differently from bulk water. منذ 1970s ، العديد من تقنيات نفسية وجسدية وقد أثبتت أن خلية المياه تتصرف نظرة مختلفة تماما عن كميات كبيرة من المياه. It is dynamically ordered or oriented, and exhibit restricted motion compared to water in the bulk. ومن ديناميكية أمر أو المنحى ، وتقييد الحركة المعرض مقارنة المياه في الجزء الأكبر.

More recently, ordered interfacial water have been found to be associated with pure protein or DNA crystals obtained at cryogenic (very low freezing) temperatures. وفي الآونة الأخيرة ، أمرت بينية المياه وقد وجد أن يرتبط مع بروتين نقي أو الحصول على بلورات الحمض النووي التجميد (منخفضة جدا تجميد) درجات الحرارة. These ordered water molecules do not form the typical ice structure, but are involved in many different forms of hydrogen bonding networks with the macromolecule and with each other. أمرت هذه المياه لا تشكل جزيئات النمطية هيكل الجليد فحسب ، بل تشارك أيضا في كثير من أشكال مختلفة من الهيدروجين التى تربط الشبكات مع جزيء ضخم ومع بعضها البعض.

A major uncertainty is what fraction of the water in living organisms and cells is distinct from bulk water, and to what extent water is essential for different living functions. قدر كبير من عدم اليقين ما هو جزء بسيط من الماء في خلايا الكائنات الحية ويتميز الجزء الأكبر من المياه ، وإلى أي مدى المياه أمر أساسي لمختلف الوظائف المعيشية.

Using sophisticated techniques with big machines, such as NMR and more recently, neutron diffraction, no more than one or two layers can be detected to have altered properties, which would imply that a substantial part of the water inside cells and in the extracellular matrix is still bulk water. وباستخدام تقنيات متطورة مع الآلات الكبيرة ، مثل الرنين النووي المغناطيسي وأكثر في الآونة الأخيرة ، الحيود النيوترونية ، أي أكثر من واحد أو اثنين من طبقات يمكن اكتشافه لغيرت الممتلكات ، الذي يعني أن جزءا كبيرا من المياه داخل الخلايا وخارج الخلية في المصفوفة لا تزال كميات كبيرة من المياه.

But other scientists, notably, Gilbert Ling, who emigrated to the United States on a Boxer Fellowship from China, has been insisting since the 1960s that practically all the water in the cell is in an ‘altered’ state different from bulk water (see SiS review). ولكن علماء آخرين ، ولا سيما ، جيلبير لينغ ، الذي هاجر إلى الولايات المتحدة على زمالة بوكسر من الصين ، وقد تم منذ 1960s تصر على أن جميع المياه في الخلية في 'تغيير' دولة مختلفة من المياه بكميات كبيرة (انظر جهاز الأمن والمخابرات استعراض).

Interfacial water as model of biological water بينية المياه حسب النموذج البيولوجي والمياه

Water generally forms ordered layers over solid surfaces, and this ordered ‘interfacial water’ can tell us a great deal about water in living organisms. أشكال المياه عموما أمر طبقات فوق السطوح الصلبة ، وهذا أمر 'بينية المياه' يمكن أن تخبرنا الكثير عن المياه في الكائنات الحية.

Interfacial water has different properties from bulk water; for example, certain solutes that dissolve in bulk water are excluded from interfacial water, or fail to dissolve in it. بينية الماء خواص مختلفة من المياه بكميات كبيرة ، فعلى سبيل المثال ، أن حل solutes بعض كميات كبيرة من المياه في تستبعد بينية من المياه ، أو تفشل لأنها في حل.

Interfacial water is generally thought to be no more than one or at most several layers of water molecules thick. بينية المياه عموما ويعتقد أن يكون هناك أكثر من واحد أو أكثر في عدة طبقات سميكة من جزيئات الماء. But several reports published in the 1990s suggested that hydrophilic (water-loving) surfaces could extend their influence over much larger distances from the interface. ولكن عدة تقارير نشرت في 1990s المائية ، واقترح أن (المياه المحبة) السطوح قد تمتد نفوذها على مسافات أكبر بكثير من التفاعل.

Small experiments that tell a big tale التجارب الصغيرة التي تروي حكاية كبيرة

Gerald Pollack and Zheng Jian-ming in the Department of Bioengineering, University of Washington, Seattle in the United States decided to do some simple elegant experiments to find out exactly how far such hydrophilic surfaces can extend their influence; and came up with some startling results. جيرالد بولاك وتشنغ جيان مينغ في إدارة الهندسة الحيوية ، جامعة واشنطن ، سياتل في الولايات المتحدة قررت القيام ببعض التجارب البسيطة الأنيقة تعرف على وجه الدقة مدى هذه السطوح المائية ، ويمكن توسيع نطاق نفوذها ، وجاء مع بعض نتائج مذهلة .

They used as solutes, microspheres 0.5 to 2 m m in diameter, which can be seen with the ordinary light microscope. وهي تستخدم solutes ، المجهرية 0.5 إلى 2 متر وقطرها متر ، وهو ما يمكن ملاحظته مع العاديين ضوء المجهر. For the hydrophilic surfaces, they employed several common hydrogels known to interact strongly with water. لالسطوح المائية ، فإنها تستخدم عدة المائية المشتركة المعروفة لتتفاعل بقوة مع الماء.

In the first experiment they put a small gel sample between two large glass cover slips, and filled the space to either side with a suspension of the microspheres, then sealed the chamber. في التجربة الأولى وضعوا جل عينة صغيرة بين اثنين من الزجاج تغطي انزلاق كبير ، وملأت الفضاء إما إلى جنب مع تعليق للالمجهرية ، ثم اغلقت الغرفة. The whole assembly was placed on the stage of a microscope fitted with a camera to follow what happens. لكامل الجمعية على مرحلة من مراحل المجهر مزودة كاميرا لمتابعة ما يحدث.

In the second experiment, the gel was formed around a glass cylinder, which was withdraw after the gel was formed, leaving a channel, l mm in diameter, which is then filled with the suspension of microspheres and placed under the microscope. في التجربة الثانية ، هلام تشكلت حول اسطوانة الزجاج ، الذي كان الانسحاب بعد هلام أنه تم تشكيل لترك قناة ، ل ملليمترات ، والذي شغل بعد ذلك مع تعليق المجهرية وضعت تحت المجهر.

To their amazement, they found that the microspheres were excluded from the gel surfaces in both experiments over distances of tens of m m, and in extreme cases, up to 250 m m or more. إلى الدهشة ، وجدوا أن المجهرية استبعدت من هلام السطوح في كل التجارب على مدى مسافات عشرات م م ، وفي الحالات القصوى ، يصل إلى 250 م م أو أكثر. Such massive exclusion zones are totally unexpected, and have never been reported before (see Fig. 1). هذه هي المناطق المحظورة ضخمة غير متوقعة تماما ، ولم يكونوا قط ذكرت قبل (انظر الشكل رقم 1).

Microspheres were almost completely absent from the exclusion zone, and the boundary between exclusion and non-exclusion rather sharp, of the order of 10% of the width of the exclusion zone. المجهرية كانت غائبة تماما تقريبا من منطقة الاستبعاد ، والحدود بين الإقصاء والاستبعاد غير حاد نوعا ما ، من أجل من 10 ٪ من عرض من منطقة الاستبعاد. The zone forms rather quickly, and appears 80% complete after 60s. المنطقة بدلا من الأشكال بسرعة ، ويبدو أنه تم الانتهاء من 80 ٪ بعد 60s. Migration velocity was about 1.5 m m per second, and microspheres near the boundary migrated at the same speed as those far away from it. الهجرة كانت السرعة عن 1.5 م م في الثانية الواحدة ، والمجهرية بالقرب من الحدود هاجر في نفس السرعة التي تبعد كثيرا عن ذلك. Once formed, the exclusion zones remained stable for days. وبمجرد تشكيل مناطق الاستبعاد ظلت مستقرة لعدة أيام.

Figure 1. الشكل 1. Exclusion zone formed next to the surface of polyacrylic acid gel. شكلت منطقة الاستبعاد المقبل الى السطح من حامض polyacrylic هلام.

Could this be an artefact? ويمكن أن تكون هذه الحقيقة الجميلة؟ For example, could there be some invisible threads sticking out from the gel surface to push the microspheres away? فعلى سبيل المثال ، يمكن أن يكون هناك بعض خيوط غير مرئية تخرج من سطح هلام لدفع المجهرية بعيدا؟ They tested this by using the atomic force microscope and other sensitive probes to detect such strands, but no protruding strands were detectable, not even after they fixed and cross-linked the gel and washed it extensively, so no lose strands could ever leak out. وهي اختبار هذا باستخدام مجهر القوة الذرية وغيرها من تحقيقات حساسة للكشف عن هذا ضيق الوقت ، ولكن ضيق الوقت لم جاحظ تم كشفها ، وليس حتى بعد الثابتة وعبر ربط جل وغسلها على نطاق واسع ، حتى لا يفقد ضيق الوقت قد تسرب من أي وقت مضى.

Could it be that the gel was in fact shrinking away from the surface and extruding water, and therefore squirting the microspheres away? وهل يعقل أن لا تكون هلام كان تقلص في الواقع بعيدا عن سطح الماء والقذف ، وبالتالي فإن التدفق المجهرية بعيدا؟ But no such shrinkage was detectable; the boundary did not shift appreciably as the microspheres migrated away from it. لكن لا يوجد مثل هذا الانكماش كان للاكتشاف ؛ الحدود لم تحول على نحو المجهرية حيث هاجر بعيدا عن ذلك. Over a period of 120 minutes, the diameter of the cylindrical hollow in the gel changed by less than 2 m m. على مدى فترة 120 دقيقة ، قطرها من أسطواني أجوف في هلام تغير أقل من 2 م م. Thus, in the 2 min period during which the exclusion zone was formed, shrinkage was insignificant. وهكذا ، في 2 دقيقة الفترة التي شكلت منطقة الاستبعاد ، وانكماش كان ضئيلا.

Could it be that polymers were leaking out into the exclusion zone, and pushing away the microspheres? هل يمكن أن تكون البوليمرات كانت تسرب إلى خارج المنطقة المحظورة ، ودفع بعيدا المجهرية؟ They added a polymer to the microsphere suspension, but this only narrowed the exclusion zone. وأضافوا أ البوليمر إلى microsphere تعليق ، ولكن هذا فقط تضييق منطقة الاستبعاد.

Yet another test was to continuously infuse microsphere suspension into the cylindrical hollow in the gel under pressure at a speed of about 100mm/s, so that any suspended invisible solutes ought to be washed out. وكان آخر اختبار للبث microsphere باستمرار تعليق في اسطوانية جوفاء في هلام تحت ضغط في سرعة نحو 100mm / ثانية ، بحيث أن أي تعليق غير مرئية solutes لابد من غسلها. But the exclusion zones persisted, virtually unchanged even at the highest speeds. ولكن مناطق الحظر قائما ، دون تغيير تقريبا حتى على أعلى بسرعة.

The exclusion zones were not a quirk due to the particular gel used. مناطق الاستبعاد ليست نزوة خاصة نظرا لاستخدام هلام. Polyvinyl alcohol gel, polyacrylamide gels, polyacrylic acid gels, and even a bundle of rabbit muscle all gave similar results (Fig. 2); and microspheres of different dimensions, coated with chemicals of opposite charge nevertheless resulted in exclusion zones. البولي فينيل الكحول هلام ، polyacrylamide الهلامية ، polyacrylic حامض الهلامية ، وحتى مجموعة من الأرانب عضلة جميع أعطى نتائج مماثلة (الشكل 2) ؛ والمجهرية من أبعاد مختلفة ، المغلفة مع المواد الكيميائية من المسؤول عن ذلك أدى إلى عكس ذلك في مناطق الاستبعاد. Thus, exclusion zones are a general feature of hydrophilic surfaces. وهكذا ، مناطق الحظر هي سمة عامة من سمات الأسطح المائية. One gel that did not show exclusion was when polyacrylamide was copolymerised with a vinyl derivative of malachite green. هلام واحد أن الاستبعاد لم تظهر عندما كان polyacrylamide كان copolymerised مع الفينيل مشتق من الملكيت الخضراء.

Figure 2. الشكل 2. Exclusion zone next to surface of rabbit muscle. منطقة الاستبعاد المقبل لسطح أرنب العضلات.

Exclusion was most profound when the microspheres were most highly charged, so negatively charged microspheres gave maximum exclusion at high pH, whereas positively charged microspheres gave maximum exclusion at low pH. الاستبعاد هو أعمق عندما كانت معظم المجهرية مشحونة ، ذلك سلبا تهمة الإقصاء المجهرية أعطى أقصى ارتفاع في درجة الحموضة ، في حين اتهم إيجابي المجهرية وقدم أقصى الاستبعاد في انخفاض الرقم الهيدروجيني. The presence of salt tended to decrease the size of the exclusion zone somewhat. وجود الملح تنزع إلى الانخفاض في حجم المنطقة المحظورة نوعا ما. The size of the exclusion zone also went up with the diameter of the microsphere. حجم منطقة الاستبعاد كما ارتفعت مع قطر للmicrosphere.

How could it be explained? وكيف يمكن أن يكون أوضح؟

What could be the explanation for this strange phenomenon that has never been observed; that apparently goes against all expectations based on data from the latest big machines? ما يمكن أن يكون تفسير لهذه الظاهرة الغريبة التي لم تكن أبدا لاحظ ؛ يبدو أن يخالف كل التوقعات استنادا إلى بيانات مستقاة من أحدث آلات كبيرة؟

After ruling out several trivial explanations, Zheng and Pollack considered whether it could be due to layers of water molecules growing in an organized manner from the gel surface and extending outwards, pushing the microspheres out at the same time. وبعد استبعاد عدة تفسيرات تافهة ، وتشنغ بولاك النظر فيما إذا كان يمكن أن يكون راجعا إلى طبقات من الجزيئات المتزايد في المياه على نحو منظم من سطح هلام وتوسيع الانفتاح على الخارج ، ويدفع بها المجهرية في نفس الوقت. That would seem consistent with the observation that the speed of migration of the microspheres is constant regardless of distance from the boundary. ويبدو أن هذا يتفق مع ملاحظة أن سرعة الهجرة من المجهرية مستمر بغض النظر عن المسافة من الحدود. It is also consistent with the finding that larger microspheres give bigger exclusion zones. كما أنه يتفق مع النتيجة التي مفادها أن أكبر المجهرية إعطاء أكبر مناطق الاستبعاد.

The increase in exclusion zone with charge, too, is consistent with their water-structuring hypothesis, as higher surface charge is known to be associated with larger extent of water structuring. الزيادة في منطقة الاستبعاد مع المسؤول ، أيضا ، بما يتوافق مع المياه هيكلة الفرضية ، كما هو المسؤول عن ارتفاع سطح المعروف أن المرتبطة بدرجة أكبر من المياه هيكلة. But, as they remark, "While these several observations fit the water-structure mechanism, no reports we know of confirm any more than several hundred layers of water structure at the extreme, and not the 10 ⁶ solvent layers implied here." ولكن ، لأنها بهذا التصريح ، "وفي حين أن العديد من هذه الملاحظات التي تناسب المياه هيكل آلية ، لم ترد تقارير عن ونحن نعرف من أي تأكيد أكثر من عدة مئات من طبقات من المياه في الهيكل المتطرفة ، وليس 10 ⁶ طبقات الموسرة ضمنا هنا".

Source مصدر

Zheng JM, and Pollack GH. JM تشنغ ، وبولاك غ. Long-range forces extending from polymer-gel surfaces. Physical Review E 2003, 68, 031408. القوات طويلة المدى تمتد من البوليمر (جل السطوح. المادية للاستعراض هاء 2003 ، 68 ، 031408.

Recommend this article... توصي هذه المادة...