Клетка как производство, ее управляющий центр

Клетка как производство, ее управляющий центр

Клетка является элементарной ячейкой жизни. Все живые организмы состоят из клеток, а простейшие из них – одноклеточные, всего из одной клетки. К настоящему времени структура и функции отдельных элементов клетки изучены очень подробно. Клетки всех организмов очень похожи по строению и основным свойствам. Клетки растений отличаются от клеток животных тем, что у них нет клеточного ядра. Схематическое изображение животной клетки показано на следующем рисунке:

Рис. Схематическое изображение животной клетки (из «Википедии», 2014)

На схеме клетка не выглядит слишком сложной, в реальности же число различных элементов в ней огромно. Например, одновременно в ней работают десятки тысяч «молекулярных машин» – рибосом, которые «печатают» цепочки аминокислот для белков в соответствии с последовательностью нуклеотидов в информационных РНК. Энергетическая система клетки состоит из многих тысяч «подвижных электростанций» – митохондрий, которые обеспечивают энергетический баланс в многочисленных процессах внутри клетки.

Объем клетки ограничен мембраной, внутри которой находится цитоплазма. «Под световым микроскопом казалось, что клетка заполнена чем-то вроде жидкой плазмы, в которой «плавают» ядро и другие органоиды. На самом деле это не так. Внутреннее пространство эукариотической клетки (у которой есть ядро) строго упорядочено. Передвижение органоидов координируется при помощи специализированных транспортных систем, так называемых микротрубочек, служащих внутриклеточными «дорогами», и специальных белков динеинов и кинезинов, играющих роль «двигателей». Отдельные белковые молекулы также не диффундируют свободно по всему внутриклеточному пространству, а направляются в необходимые компартменты при помощи специальных сигналов на их поверхности, узнаваемых транспортными системами клетки» (Википедия, статья «Клетка», 2014). То есть в клетке есть и своя развитая транспортная система как в крупном сборочном цеху.

Понятно, что когда-то наша планета была раскаленным шаром, и клеток тогда не было, потом она остыла и клетки появились. Скачок между неорганической породой и клеткой просто огромный, здесь не может быть и речи о случайном возникновении без вмешательства разумной силы. Выше было показано, что всего сотня элементов не может случайно собраться в нужном порядке за время существования нашей Вселенной. А с чем можно сравнить сложность клетки? По своей сложности она не часовой механизм и даже не автомобиль или робот. С учетом того, что все необходимые для ее функционирования сложные элементы и молекулярные машины собираются внутри нее, а также того, что она может произвести свою точную копию, для имитации некоего подобного замкнутого цикла в людском производстве нужно строить целую систему заводов и фабрик, начиная от добычи полезных ископаемых, производства станков, и заканчивая производством компьютеров и программного обеспечения для них. И вот эта система заводов, способная себя произвести, и будет эквивалентом одной клетки. И нужно еще учесть, что в клетке нет людей, чтобы этим всем управлять, то есть система заводов должна быть полностью автоматизированной. С учетом того, что первые клетки появились миллиарды лет назад, очевидно, что уже тогда разумные силы их спроектировавшие, имели технический уровень выше, чем наша современная цивилизация.

Но, помимо невозможности возникновения клетки без вмешательства разума, есть еще и другой аспект, которому обычно совсем не уделяют внимания. Дело в том, что такая сложная система не может существовать без соответствующей системы управления. Те процессы, которые мы наблюдаем в теле клетки – это только внешняя исполнительная часть, наподобие того, как в цеху с автоматическим производством, мы не можем видеть программ управления, а только результат их действия в виде работающих станков и движущихся транспортеров с заготовками или готовой продукцией. Подчеркнем, что клетки нельзя рассматривать как необычайно сложные часовые механизмы или машины, которые были когда-то созданы природой, а теперь работают сами по себе как вечные двигатели. А именно такой взгляд является доминирующим в современной науке, потому что она даже не пытается понять, как работает живая клетка, кто или что управляет комплексом сложнейших процессов в ней. Все усилия направлены лишь на то, чтобы понять, как же она возникла когда-то очень давно.

Можно ли представить машины или механизмы, которые способны восстанавливать произвольно отрезанную часть? Таких нет. А одноклеточные существа, такие как амеба, способны регенерировать небольшие отрезанные куски. Конечно, мощное производство, которое способно копировать себя, наверно сможет восстановить и свою разрушенную внешними силами часть, но программа, которая управляет таким производством, по уровню сложности должна быть сравнима с искусственным интеллектом. Ничего подобного искусственному интеллекту в клетке увидеть невозможно, хотя ее компоненты уже исследованы и описаны вплоть до уровня отдельных атомов.

Раньше, когда процессы в клетке были не столь хорошо изучены, существовала надежда, что роль управляющей программы в клетке выполняют последовательности молекул ДНК в хромосомах. Но сейчас довольно очевидно, что хромосомы являются просто складом шаблонов или матриц, которые используются на начальном этапе в производстве белков. То есть они являются одним из многочисленных объектов, над которыми производятся действия управляющей клеткой программы.

В клетке присутствуют многие химические соединения: вода, углеводы, жиры, – но для особо сложных и ответственных конструкций основными строительными блоками служат нуклеотиды и аминокислоты. Из нуклеотидов построены молекулы ДНК и РНК, а из аминокислотных остатков – белки. Число атомов в этих нуклеотидах (аденин, гуанин, цитозин, тимин, урацил) около полутора десятков, аминокислоты белков (число которых двадцать) содержат от десяти до почти трех десятков атомов. Белки имеют общую схему построения сложных молекулярных конструкций: сначала собирается длинная цепочка аминокислот (полипептидная цепочка), затем она сворачивается в клубок, то есть ей придается нужная пространственная конфигурация, после чего может происходить доводка до конечной формы путем отрезания лишних элементов или добавления каких-то нужных для функционирования атомов, которых нет в составе аминокислот. Простые белки типа инсулина содержат всего около сотни аминокислотных остатков, а многие сложные белки могут содержать сотни тысяч атомов.

В современной науке принято придавать молекулам ДНК, образующим хромосомы, особую роль хранителя генетической информации, которая определяет и задает все процессы не только в клетке, но и во всем организме. «Генетическая информация – информация о строении белков, закодированная с помощью последовательности нуклеотидов – генетического кода – в генах (особых функциональных участках молекул ДНК или РНК)… Реализация генетической информации происходит в процессе синтеза белковых молекул с помощью трех типов РНК: информационной (иРНК) (ее также называют матричной РНК, мРНК), транспортной (тРНК) и рибосомальной (рРНК). При этом генетическая информация копируется с матрицы ДНК на мРНК в ходе транскрипции, а затем мРНК используется как матрица для синтеза белков в ходе трансляции» (Википедия, статья «Генетическая информация», 2014).

Однако информация имеет смысл, если она может быть считана и использована по назначению, информацию может воспринимать только разумное существо или некий его эквивалент в виде программного устройства. В физике понятия «информация» нет, там есть понятие энтропия, характеризующее степень хаотичности ансамбля частиц. А если мы остаемся в рамках материализма, то должны полагать, что все процессы в клетке также материальны и имеют только физико-химическую природу. Если в клетке нет системы управления, то и об информации не может быть и речи, ее просто некому или нечему передавать.

Разумных существ наподобие людей в теле клетки нет, с этим вряд ли будут спорить. Значит, когда говорят о генетической информации, нужно полагать, что она может иметь отношение к некой управляющей системе, находящейся в клетке. В любом аппарате или машине, имеющей систему управления, можно пошагово проследить, как она действует. Инженеры, когда создают машину, продумывают и воплощают «в железе» все элементы системы управления, каждый управляющий сигнал можно проследить, будь он механический, гидравлический или электромагнитный. Увы, в клетке это сделать невозможно. Там все работает как будто по мановению волшебной палочки, видно как происходит процесс, а что его вызвало непонятно. Поэтому в научных статьях процессы в клетке обычно описываются только с точки зрения внешнего наблюдателя, то есть поясняется как это происходит, но не объясняются движущие причины. Это похоже на описание ребенком работы робота с прозрачным корпусом, он видит, как его части движутся внутри, но он понятия не имеет о микросхемах и датчиках, которые и управляют всеми действиями робота.

При создании белков, которые будут служить телом молекулярных машин, главной задачей является обеспечить им нужную форму и стойкость к воздействию внешних факторов, способных разрушить эту форму. Обычные полипептиды, то есть искусственно синтезированные цепочки аминокислот, а не созданные в клетке на рибосоме, при сворачивании в пространственный клубок создают неустойчивые формы. Во-первых, у них нет одной и той же конечной структуры, как нативная форма у белков, то есть конечная форма может быть разной у одной и той же цепочки. И, во-вторых, они существенно менее устойчивы к действию температуры и различных денатуратов. Если белки способны сохранять свою структурную целостность в каком-то определенном диапазоне параметров, то искусственные полипептиды начинают «разваливаться», то есть терять элементы структуры, практически сразу, как только появляется неблагоприятный фактор.

   1. То есть задача белка обеспечить молекулярной машине прочность и форму, что в обычных машинах делает «железо» или «hard». Например, белковые ферменты имеют тело с манипуляторами, которые «хватают» определенные молекулы и соединяют их вместе, что ускоряет ход химических реакций в миллионы раз. Но никакого «soft», то есть программного обеспечения, в теле молекулярной машины нет, а, как известно, любая машина без этого превращается просто в груду бесполезного железа. Так называемая «генетическая информация» в хромосомах к программе управления молекулярной машиной никакого отношения иметь не может, они просто физически находятся в разных местах и не взаимодействуют, да и сама «генетическая информация» – вовсе не код управляющей программы, а просто шаблон для копирования, который используют в своей работе молекулярные машины ДНК и РНК-полимеразы. ДНК-полимераза может работать и вне клетки, то есть в отсутствии генетической информации. На практике уже давно используют ПЦР (полимеразную цепную реакцию) для получения копий имеющегося в наличии образца ДНК.

Могут ли быть молекулярные машины просто механизмами наподобие часов, то есть работать без программного управления, которым снабжаются современные станки и машины? Видимо, для очень простых молекулярных машин такую возможность пока нельзя исключить. Однако для сложных молекулярных машин, таких как рибосома или РНК-полимераза, наличие программы управления выглядит обязательным условием. Так, например, у хорошо изученной бактерии кишечной палочки (Escherichia coli) найдено около сотни факторов, которые регулируют работу ее РНК-полимеразы (Википедия, статья «РНК-полимераза», 2014). Для механизма такое большое число регулировок выглядит неправдоподобным, а при наличии программы управления это не является проблемой. Если во время своей работы РНК-полимераза обнаруживает поврежденные участки ДНК, то привлекает другие ферменты для ее восстановления. Некоторые ДНК-полимеразы также обладают способностью исправлять ошибки во вновь собираемой цепочке ДНК. Если происходит обнаружение неправильной пары нуклеотидов, ДНК-полимераза откатывается на один шаг назад, исключает неправильный нуклеотид из цепочки и затем вставляет на его место правильный, после чего репликация продолжается в нормальном режиме. Понятно, что такое поведение РНК и ДНК-полимеразы слишком сложно для механизма без программы управления. Еще нужно принять во внимание, что молекулярные машины для своей работы обычно потребляют тепловую энергию окружающей среды. По сути, они повышают упорядоченность в некотором окружающим их пространстве, или, другими словами, понижают энтропию. А такое поведение возможно только при разумном или запрограммированном разумом вмешательстве, потому что под действием только физических законов хаотичность- (энтропия) в замкнутой системе должна увеличиваться.

Если по поводу простейших молекулярных машин еще можно спорить об их чисто механическом принципе работы без участия управляющих программ, то для сложных молекулярных машин уже очень затруднительно объяснить их работу без привлечения управляющих ими программ. И тем более невозможно объяснить работу клетки в целом без наличия в ней управляющего центра, ответственного за координацию и слаженность одновременной работы десятков и даже сотен тысяч молекулярных машин. В этом центре должна контролироваться целостность клетки, если она где-то нарушается, то выдаются команды молекулярным машинам на ее восстановление, в соответствии с «образом» целой клетки, который должен храниться где-то в памяти управляющей программы. Также должны существовать системы тревоги на случай вторжения в тело клетки инородных тел и борьбы с ними. Если изменяются внешние условия, например, температура, то соответствующие датчики должны давать команды на переход к аварийному функционированию систем клетки и т. п. То есть система управления клеткой должна быть мощной, информационно насыщенной, ее было бы невозможно не заметить, если бы она существовала в теле клетки. Но ее там нет, это совершенно очевидно. Однако, не менее очевидно, что она должна существовать. Парадокс можно разрешить, только признав, что она расположена в смежном пространстве, невидимом для нас, и оттуда управляет процессами в клетке. И эта управляющая система и есть, очевидно, та самая «жизненная сила», в этом случае для клетки, которую искали, не сомневаясь, что она существует, многие поколения ученых от Аристотеля до Ламарка.

Все естественные образования неживой природы действуют только в рамках подчинения физическим законам сохранения: массы, заряда, энергии и т. д., у них нет цели выше этого подчинения. В то время как те устройства и машины, которые создает человек, имеют другие цели и задачи, например, швейная машина должна сшивать куски ткани, компьютер правильно производить операции с числами. Конечно, эти устройства также действуют в ограниченных рамках физических законов, но они сконструированы так, чтобы помимо этого простого подчинения выполнять еще цели и задачи, нужные человеку. Атомы и молекулы нашего материального мира представляют собой очень гибкий конструктор с широчайшими возможностями для творчества. По сути, весь наш мир – это всего лишь различные комбинации нескольких частиц: протонов и нейтронов, из которых состоят ядра атомов, электронов, которые вращаются вокруг ядер, и фотонов, которыми обмениваются остальные частицы. Но ведь с помощью последовательности всего из двух цифр, например, нулями и единицами, в двоичном коде можно записать любую информацию: от романа Толстого или телефонной книги до многосерийного фильма. Также и из последовательности всего нескольких частиц можно образовать целую Вселенную. Другое дело, что нужен кто-то, способный увидеть не просто однообразную и унылую бесконечность одних и тех же частиц, а осознать разницу между отдельными телами и оценить красоту их разнообразного сочетания.

Не только клетка, но и молекулярные машины в ней имеют свои цели и сверхзадачи, далеко выходящие за рамки простого следования физическим законам. Такие сверхзадачи могли быть поставлены и осуществлены в реальной работающей конструкции только неким разумом, здесь просто нет других альтернатив. Все теории случайного возникновения жизни и клетки, как элементарной единицы жизни, держатся только на убеждении, что никакого разума до человека на Земле не было. А если завтра появятся представители этого древнего разума и скажут, что жизнь на Земле это результат нашего творчества, мы ее создали, и мы ее постепенно совершенствовали. Тогда все шаткие построения теорий случайного возникновения жизни мгновенно рухнут, потому что исчезнет единственный фиговый листок, который хоть как-то прикрывает очевидную нелепость аргументации о случайной сборке живых существ.

Одна из таких теорий, ставшая довольно популярной, предложена Ричардом Докинзом, и изложена в его книге «Эгоистический ген» (1977). Ричард Докинз известен как строгий материалист, который не приемлет ничего вне материального, и уж, тем более, никакой души, никакого Бога. Суть его идеи в том, что генам приписывается эгоистическое стремление к собственному сохранению или выживанию. И все живые существа, в том числе и человек, есть не что иное, как просто некие машины, которые гены построили для лучшего выживания. Под генами подразумеваются последовательности нуклеотидов, которые содержатся в хромосомах. Предполагается, что каждый ген ответственен за формирование определенного белка. Сразу возникает вопрос, а чем стремление к выживаемости у гена отличается от стремления к выживаемости у любой другой молекулы? Понятно, что ничем. Между атомами есть электронная связь, и если энергии налетающей частицы не хватает для разрушения этой связи, то молекула «выживает», а если хватает, то молекула разрушается. А почему же выбраны именно гены? По Докинзу они обладают способностью к репликации, то есть созданию своих копий. Конечно, и ребенку понятно, что если вытащить хромосомы из клетки и поместить их в пробирку с раствором, то никакой собственной копии они не создадут. Копию какой-то части хромосомной ДНК может создать ДНК-полимераза при определенных условиях. Так может логичнее назначить ответственными за создание «машин для выживания» вместо генов ДНК-полимеразу, как активное начало в производстве копий ДНК, или их вместе: и гены и ДНК-полимеразу? А как быть с РНК-полимеразами и рибосомами, ведь без них белков не создать? А еще нужны и сплайсосомы, так как бывает, что отдельные части гена находятся в разных местах хромосомы, и их надо выделить и объединить. Понятно, что в итоге мы вынуждены будем добавить все элементы клетки, чтобы получить полноценный репликатор, которым только клетка как целое и является.

Важно отметить еще и следующий момент. Даже если удастся создать полную копию клетки искусственным путем, разместив все многочисленные молекулы в нужном порядке, это не будет означать, что клетка станет живой и будет функционировать. Чтобы оживить эту большую группу молекул, к ним следует присоединить систему управления, которая у обычных клеток находится в смежном пространстве, без системы управления копия клетки останется мертвым муляжом.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.