КЛЕТКА I, как возникает живая материя
Введение
В предыдущей публикации «Мыслящая материя» не были оговорены условия ее существования считалось, что для читателя это достаточно очевидно. Здесь эти условия будут рассмотрены.
Необходимое условие существования мыслящей материи — она должна быть обособленной некими границами от остальной и в их пределах быть живой материей со всеми ее атрибутами, а достаточными условиями — примем наличие в пределах такой обособленности границами некоего органа (мозга) и в нем механизмов создания и восприятия мыслей. Например, в к\ф «Солярис» такой материей был Океан. Если необходимое условие воспринимается более-менее очевидным, то с достаточными все несколько сложнее (например, для умалишенных).
Не определялся и сам объект «мысль, мышление» в предположении, что на бытовом уровне он понимается большинством читателей одинаково. На память приходят дебаты по поводу публикации о сознании человека. До сих пор я с благодарностью вспоминаю некоторые комментарии, расширившие мое представление о теме. В представляемой сейчас статье я не буду говорить о достаточных условиях существования «мыслящей материи», а ограничусь одним необходимым.
Современное определение для землян: «Жизнь — это макромолекулярная открытая система, которой свойственны иерархическая организация, способность к самовоспроизведению, самосохранению и саморегуляции, обмен веществ, тонко регулируемый поток энергии».
Как материя (не вся) стала живой? Она ведь почти того же состава, что и вся остальная. Ответ на вопрос предполагает глубокое серьезное исследование, построения теории возникновения живого из неживого. Так оно и получилось в итоге. Но собственные размышления над ответом и знакомство с научными толкованиями темы во многом не устраивали меня. Живая материя иначе организована, чем неживая. Дело в ее особой организации. Вопросы о жизни никогда не были простыми и легкими, но время от времени возникают в публикациях и активно обсуждаются. Вот об условиях и процессах организации элементов материи, приводящей к такому явлению как Жизнь, речь и пойдет дальше.
Цель публикации в первую очередь образовательная, познавательная, популяризация науки, а также стремление привлечь в ряды исследователей, в науку приток новых молодых умов, вызвать в таких умах стремление к поиску ответов на возникающие вопросы. Масштабность темы требует ввести разумные ограничения на излагаемый материал после краткого панорамного ее рассмотрения.
Предыстория возникновения живой материи
Согласно современным теориям и моделям, жизнь на Земле возникла около 4,1—3,8 млрд лет назад, при том, что сама планета сформировалась примерно 4,5 миллиарда лет назад. Самым древним найденным окаменелостям живых организмов, по оценкам экспертов, около 3,5 миллиардов лет. Виду Homo Sapiens (человек разумный) насчитывается всего 200 тысяч лет.
Разумно предположить, что природа не имела цели — создание живой материи. То, что получилась жизнь, произошло случайно .Случайно комбинировались ресурсы — наборы химических элементов, случайно возникали условия, благоприятствующие протеканию химических реакций.
Это повторялось на временном интервале в миллиарды лет с некоторыми изменениямии в сериях повторений. Если главной особенностью жизни считать самопроизводимость, повторяемость, то в природе имеются аналогии. Это кристаллы. Они зарождаются в растворах при снижении температуры tС на крупинках затравки. Растут пока есть из чего расти. Пример Н2О.
В Антарктиде эти кристаллы занимают площадь многих км2 и достигают километровых высот. Источником служат атмосферные осадки. Кстати, теория кристаллов знает о них практически все, благодаря большому вкладу ученых и нашего отечества Е.С. Фёдоров, А.В. Шубников, Б.Н. Делоне и др.
В некотором смысле Е.С. Федоров завершил построение здания классической кристаллографии. Работы по структуре и симметрии кристаллов завершились классическим трудом «Симметрия правильных систем фигур». В нём приведён первый вывод 230 пространственных групп симметрии
Более ста лет назад практически во всех странах люди как норму принимали точку зрения божественного сотворения мира и человека. В ноябре 1859 года эта позиция была поколеблена работой Чарльза Дарвина «Происхождение видов», в которой он выдвинул гипотезу об общем предке всего живого на Земле (LUCA).
Известны две основные теории возникновения жизни на Земле.
Первая теория — абиогенная. Суть ее в том, что сложные органические соединения — «кирпичики жизни», центральное место среди которых занимают аминокислоты, — образовались из неорганических веществ непосредственно на нашей планете в результате пребиотических реакций. Все мы, — включая грибы, бактерий и каких-нибудь экстремофилов из глубин океана — родственники
Рисунок 1 — Схема проведения эксперимента Гарольда Юри и Стэнли Миллера
Биологические молекулы (органика) — это сахара, жиры, белки и нуклеиновые кислоты вроде «дезоксирибонуклеиновой кислоты», или ДНК. Стэнли Миллер пытался лабораторными опытами сделать органику (материал жизни) из неорганики и ему это удалось в 1953 году.
Впервые это предположение (гипотезу) высказал в 1922-м российский биолог Александр Опарин. Необходимо было для подтверждения правильности гипотезы получить в опытах биологические, органические вещества (образцы) из неорганических, либо обнаружить в природе подобные реакции. В середине 1950-х американские биохимики Стэнли Миллер и Гарольд Юри подтвердили гипотезу экспериментально, получив аминокислоты из простейших соединений — таких как вода, аммиак, угарный газ и метан.
Для этого в лаборатории воссоздавали условия ранней Земли: нагревали «первичный бульон» до кипения, пропускали пар через колбу, в которую вставлены электроды для моделирования грозовых разрядов атмосферы, а затем охлаждали. На этом результате не была поставлена точка. Гипотеза о первичном бульоне продолжала подвергаться критике, мол состав атмосферы тогда был другим.
В 2008 году гипотеза подтверждается повторным экспериментом Гарольда Юри и Стэнли Миллера. Ученые смогли воссоздать практически те же условия, которые, как установила наука, существовали на поверхности нашей планеты до зарождения жизни. Через смесь молекулярного водорода, угарного газа и метана пропустили небольшие электрические разряды, ультрафиолетовые лучи, и получили сложные органические вещества.
А в марте 2015 года, ученые Кембриджского университета во главе с Джоном Сазерлендом показали, что все типы «молекул жизни», в том числе РНК, белки, жиры и углеводы, можно получить в ходе подобных реакций, в которых будут участвовать простые неорганические соединения углерода, сероводород, соли металлов и фосфаты.
Следует учитывать, что на Земле могли возникать пространственные области (места), где выполнялись условия, способствующие протеканию нужных химических реакций, содержащие наборы нужных реактивов в достаточных количествах.
Вторая теория называется «панспермия». Ее сторонники утверждают, что жизнь пришла на Землю из космоса. Эту идею, высказанную еще в XIX веке, долгое время считали антинаучной. Но потом оказалось, что космос наполнен «кирпичиками жизни». Спектры сложных органических молекул присутствуют в межзвездном пространстве. В составе комет есть соли аммония и другие соединения, которые могут привести к образованию мочевины, аминокислот и нуклеотидов. А в метеоритах — полный набор азотистых оснований, необходимых для ДНК и РНК. Сторонники идеи панспермии убеждены, что на Землю первые микроорганизмы были принесены из космоса.
Со временем появились и другие взгляды на появление Жизни. Начинается большинство теорий и построение моделей объектов с выдвижения гипотез, перечисления допущений, предположений, ограничений и т.п. В естественных науках расчеты теории, выводы должны подкрепляться опытами, результаты которых совпадают с теорией. Главным требованием научного подхода к опытам (экспериментам) является их повторяемость другими исследователями. Разумеется, условия проведения эксперимента и результаты должны совпадать с заявленными.
На память приходит пример: Пастер работал с вибрионом холеры и заражал вибрионом курицу. Желающим убедиться в правоте выводов, повторить опыт Пастера не удавалось. Град критики посыпался на Пастера. Дело в том, что вибрион погибает при температуре 40°С, а тело курицы имеет как раз такую температуру. Но Пастер был хорошо образован, перед прививкой он охлаждал курицу, опуская ее на время в таз с холодной водой, а когда вибрион попадал в кровь курицы живым, он уже не погибал.
Науке было известно с 1665 (открытие Р. Гуком клетки), что все живое связано с клетками, как это произошло никто долгое время не знал и не мог объяснить. Явление жизнь на нашей планете насчитывает миллиарды лет. Сразу после того, как Земля остыла до приемлемого уровня, в химических реакциях синтезировались сложные вещества неживая природа продолжала комбинировать с веществом, соединяя его элементы (атомы, молекулы), в различных средах в воздухе, на поверхности суши и океанов, под их поверхностью.
Температурный распад веществ замедлился и где-то прекратился вообще, вода перестала превращаться в пар. Другие условия планеты также благоприятствовали возникновению элементов органики. Человек убедился в этом в 1828, когда немецкий химик Ф. Вёлер получил мочевину из цианата аммония. Природа не останавливалась, продолжала синтезировать вещества, которые со временем развивались, усложнялись и некоторые стали (научились) самособираться и даже самовоспроизводиться. Почти через сто с лишним лет поставили другой опыт (Г. Юри и С. Миллер), подтверждающий гипотезу А. Опарина и Дж. Холдейна. В 1953 были получены 5 аминокислот, а в 2008 опыт с уточненными исходными веществами повторен и были получены 22 аминокислоты. Рассмотрение явления эволюции жизни на Земле отложим на потом, не будем спешить.
Пока займемся цепочкой молекула — клетка — ткань — орган — организм. В роли организма каждый может представить себя, особенно, если посмотрит в зеркало, а еще лучше, если начнет задавать вопросы Гуглу и знакомиться и разбираться с ответами. Современный взгляд на органический мир иллюстрируется рисунком 2 и следующей за ним таблицей.
Когда речь заходит о жизни на Земле, то чаще всего выделяют восемь основных структурных уровней и называют свойства живого:
В типичном случае каждый из этих уровней является системой из подсистем нижележащего уровня и подсистемой системы более высокого уровня. Для жизни основным является клеточный уровень. Подробное дерево предков на рис. 3. После́дний универса́льный о́бщий пре́док (англ. last universal common ancestor, LUCA, или last universal ancestor, LUA) — последняя популяция организмов, от которой произошли все организмы, ныне живущие на Земле. Таким образом, LUCA является общим предком всей жизни на Земле
Рисунок 3 — Схема, связывающая все основные группы живущих организмов с LUCA на основе последовательностей генов рДНК
Предпосылки для рассмотрения явления «жизнь», разработки теории и моделирования ее возникновения и мало известные (новые) имена первопроходцев
1828 Ф. Вёлерполучил мочевину из цианата аммония
1861 Ч. Дарвин показал, что живое произошло от одного общего предка
1924 А. Опарин «Происхождение жизни»
1929 Холдейн Дж созвучные идеи с работами А. Опарина
1934 Юри Гарольд опыт получения органики из неорганики
1949–1953 Крик и Уотсон показали, что молекула ДНК — двойная спираль
1952 А. Херши, М. Чейз Института Карнеги в Вашингтоне, гены — это ДНК
1953 С. Миллер, Дж. Сазерленд Опытполучения органики из неорганики
1961 Митчел идея АТФ для энергетики клетки
1968 Лесли Оргел. Первая жизнь имела лишь РНК без белков или ДНК,
1978 Митчелл открытие механизма синтеза АТФ, Нобел. пр. по химии
981 Корлисс открытие гидротермальных источников (жерла)
1981 Гюнтер Вахтершаузер открытие энергетического цикла
1982 Джек Шостак из Гарвардской школы медицины. Нобел. премия.
1982 Томас Чех обнаружил у РНК свойство фермента (ножниц)
1986 У. Гилберт из Гарвардского ун-та Кембридж, термальные источники
1986 Феррис Д. показал, что монтмориллонит может быть катализатором
1987 Оргел открыл явление РНК добавляет нуклеотиды в цепочку
1990 Томас Стейц изучение рибосомы (Нобелевская премия 2009)
1991 Питер Нильсен Копенг.предложил искусственную ПНК подобную ДНК
1993 Рассел объединил метаболические циклы и термальные источники
2000Дебора Келли Вашингтонского ун-т обнаружила щелочные источники.
2000 А.Эшенмозер создал треозо-нуклеиновую кислоту (ТНК), др. сахаром
2001 Шостак, Луизи новый единый подход изучению возникновения жизни
2001 Дэвид Бартель Массачусетского техн. Кембридж. РНК- фермент R18
2005 Эрик Меггес создние гликолевой нуклеиновой кислоты, способной спирализоваться
2009 Т Стейц исследования структуры и функции рибосомы, Нобел. пр.
2009 Д. Джойс, Т. Линкольн из Ин-т Скриппса в Ла-Хойя, Калифорния.
2009 Шостак, Чжу деление многослойной протоклетки подобной луковице
2011 Филипп Холлигер получил tC19Z, который копировал РНК не 100%
2013 Шостак добавкой цитрата защитил оболочку, а РНК стала копироваться
2015 — Сазерленд получил два нуклеотида РНК в реакциях с ацетиленом
2017 — открыты природные метаболические циклы
В 1950-е ученые думали, что белки являются генами жизни. В 1952 Альфред Херши и Марта Чейз из Института Карнеги в Вашингтонепоставили опыт: вирусы заражают бактерию чтобы воспроизводиться. Выяснилось, что в бактерию проникает только вирусная ДНК, а все белки остались снаружи. Очевидно, ДНК и была генетическим материалом вируса.
В 1953 году Крик и Уотсон (без Розалинды Франклин) опубликовали статью о структуре ДНК в Nature. ДНК — это винтовая «лесенка» из молекул нуклеотидов или «застежка молния» при делении клеток.
Рибосома есть в каждой живой клетке. В ней считываются инструкции РНК и выстраиваются аминокислоты, чтобы синтезировать белки. РНК является каталитическим ядром рибосомы.
В 2009 году Томас Стейц получил Нобелевскую премию за исследования структуры и функции рибосомы
Новые направления и подходы исследования возникновения жизни на Земле
Следует заметить, что взгляды сторонников различных подходов едины в весьма узком понимании жизни, навеянным тем, что они видят непосредственно вокруг себя. В этом проявляется определенная ограниченность всех рассматриваемых подходов. В основу жизни кладется клетка и все исследование далее происходит вокруг нее. Более того, клетка не считается вечной (следовательно, должна как-то воспроизводиться), размножаться.
Бессмертной клетке воспроизводство и размножение не требуется. Клетка пространственно ограничивает все необходимые ей ресурсы и процессы (метаболизм, гомеостаз и др.) — это лишь одна из возможностей. Обладать некоторыми свойствами живого могут не только клетки. Для создания живого объекта набор неорганических веществ формируется не слишком обширным, чтобы не стать бесполезным, и не слишком простым, чтобы не усекались возможности. Живые организмы Земли получились не в меру сложными, природе не всегда удавалось находить оптимальные решения. Если что-то получалось и работало, то цели совершенствовать, оптимизировать у природы не стояло. Работал естественный отбор, сохраняя более адаптированные к условиям существования образцы.
Появлялись и развивались новые подходы к изучению возникновения жизни не на строгой научной основе необходимых и достаточных условий. Во всех подходах назывались и ставились во главу угла только необходимые условия, а о достаточных даже не упоминалось. Если о них и говорили, то это были критики подхода оппоненты, а их замечания напрочь отвергались. Ученые разделились на три школы направления мысли, размышляя об истоках жизни: «мир РНК», Метаболизм и компартментализация (вначале клетка). Отдельно каждое направление будет рассмотрено в следующей статье «КЛЕТКА II, теории возникновения жизни».
Заключение
Органическая материя возникает из неорганической. Атомы вещества те же самые, но организованы в объектах иначе.
Приведены авторские замечания по поводу предположений, допущений, гипотез в теоретических построениях и моделировании явлений, подтверждающих высказываемые положения.
почему все теоретические построения связываются с клеткой (жизнь ведь может быть и бесклеточной)
клетка сразу предполагается с конечным временем жизни (смертной) и отсюда требование ее воспроизводства и размножения
выбор исходных реагентов для первичных химических реакций диктуется наблюдениями за земной жизнью (весьма жесткое ограничение)
поиски механизмов получения энергии, информации копируют аналоги жизни на Земле
шкала (иерархия) уровней строится на концепции многоклеточных существ
Основные научные события и факты в хронологическом порядке, связанные с именами первопроходцев, изучающих возникновение живой материи на Земле.
Приведены схема, таблица и древо разнообразия живых организмов Земли, отражающие современные научные взгляды на жизнь.
Литература
1. Ахундова Э.М, Салаева С.Д. Генетика: вопросы и ответы.– Баку, 2019.– 381 с.
2. Бауэр Э.С. Теоретическая биология. — СПб.: Росток, 2002. -350 с.
3. Бор Н. Атомная физика и человеческое познание.-М.: Иностранная литература, 1961. -151 с.
4. Вилли К., Детье В. Биология. -М.: Мир, 1974. -824 с
5. Дарвин Ч. Происхождение видов путем естественного отбора. -СПб.: Наука, 1991.-539 с.
6. Коштоянц Х.С. Основы сравнительной физиологии. М.АНСССР, 1957.-635с.
7. Медников Б.М. Аксиомы биологии. — М.: Знание, 1982. -136 с.
8. Шрёдингер Э.Что такое жизнь с точки зрения физика.М.: Атомиздат,1972.-88с.
9. Энгельс Ф. Диалектика природы. Л.: Государственное издательство политической литературы,1952.-328 с.
10. Гринев В.В. Генетика человека. — Минск: БГУ, 2006. — 131 с.
11. Гусейнова Н.Т. Цитология: Учебник. — Баку, 2018. — 224 с.
12. Курчанов Н.А. Генетика человека с основами общей генетики: Учебное пособие. — СПб.: СпецЛит, 2005. — 185 с.
13. Стволинская Н.С. Цитология / Н.С. Стволинская.–М.: Прометей, 2012.– 208 с.
14. Цаценко Л.В., Бойко Ю.С. Цитология. — Ростов-н/Д: Феникс, 2009. — 186 с.
15. Ченцов Ю.С. Введение в клеточную биологию.–М.: Академкнига, 2004– 495 с.
16. Ченцов Ю.С. Общая цитология: Учебник. — М.: МГУ, 1984. — 442 с.
17. Ляпун И.Н., Андрюков Б.Г., Бынина М.П. Культура клеток HeLa: бессмертное наследие Генриетты Лакс. Молекулярная генетика, микробиология и вирусология. 2019;37(4):151- 157 . https://doi.org/10.17116/molgen201937041
18. Гусейнова Н.Т., Мамедова Р.Ф. Клетка — основа жизни на земле // Universum: химия и биология: электрон. научн. журн. 2019. № 11 (65). URL: https://7universum.com/ru/nature/archive/item/8094 (дата обращения: 09.05.2023).
