Глава 1. Технологии

Возможности клетки

Ода клетке

Самое удивительное явление в нашей жизни – это живая клетка, минимальная единица жизни. Поэтому, наше повествование начинаем с неё.

Живая клетка, это совершенно крошечное образование, настолько малое, что её невозможно разглядеть глазом. И в этой крохе заключен целый мир, с прошлым и будущим. В ней заключены гигантские возможности.

В ней заключено всё.

Она хранит информацию о своем строении. У неё есть механизм воспроизводства. Используя информацию о строении, этот механизм создает новую клетку. Клетка может питаться и расти. У неё есть механизм синтеза необходимых веществ. Этот механизм очень гибкий – он может создавать совершенно различные вещества и не ограничен узким набором производимых веществ. Клетка может создавать необходимые органические соединения как из неорганических, так и из других органических веществ. Кроме синтеза, клетка может расщеплять (дезинтегрировать) сложные органические соединения, попадающие в неё, до необходимого ей состояния – для возможности использования получившихся остатков в дальнейшем синтезе необходимых для жизнедеятельности веществ. Клетка может накапливать и хранить запас необходимых ей веществ и использовать их по мере необходимости. Клетка может вырабатывать энергию, используемую для любых нужд: для работы всех внутренних механизмов, для движения, для обогрева, для воспроизводства. Клетка может самоочищаться от накопившихся отработанных или вредных шлаков, выводя их за свои пределы. Она способна бороться с вредным воздействием окружающей среды. Клетка может производить и выбрасывать, во внешнюю среду, отложенную на время генетическую информацию, в виде вирусов. Клетки имеют неограниченную способность объединяться в единый, более мощный организм, тем самым многократно повышая необходимые ему ресурсы. При этом каждая клетка этого организма будет хранить информацию не только о себе, но и о строении всего организма. Участвуя в строительстве многоклеточного организма, клетка способна видоизменяться до состояния выполнения какой-то одной специальной функции. И этот диапазон видоизменяемости огромен: от клетки мозга, до какой-либо ороговевшей частицы защитного покрова. Клетка может выбирать из окружающей среды и наращивать вокруг себя прочные неорганические образования для защиты или придания жесткости крупному организму.

И это всё происходит в ничтожном объеме, в абсолютно автоматическом и автономном режиме. Поразительно!

В каждой клетке воплощено всё, что присуще всей жизни, всем живым организмам, кроме, пожалуй, умственной деятельности. Хотя, судя по логичности внутренней жизнедеятельности и стремлению к выживаемости и приспособляемости, и это утверждение выглядит сомнительным.

В процессе эволюции клетка наработала механизмы, недоступные пока людям в их производственной деятельности. К таким механизмам можно отнести помолекулярный синтез сложных органических соединений и дезинтеграцию подобных соединений до нужного промежуточного состояния. Клетка собирает сложнейшие органические вещества безошибочно, с цифровой точностью. Каждая создаваемая молекула создается отдельно – помолекулярно, не в едином химическом процессе, с которыми работают люди. У людей пока нет такого механизма, создающего отдельные молекулы поштучно с текущем контролем строения. Люди работают с химическими макропроцессами, где самостоятельно происходит малоуправляемый синтез веществ. Поэтому в результате получается ограниченный набор производимых продуктов, получаемый в таком неуправляемом процессе, да ещё загрязненный всевозможными попутными или промежуточными соединениями, возникающими в этом процессе. После производства необходимого вещества, оно нуждается в очистке, иногда довольно сложной, дорогой и не всегда полноценной. Кроме того, клетка умеет расщеплять многие сложные органические молекулы до каких-то промежуточных состояний, удобных или для хранения этого вещества, или для какого-либо дальнейшего синтеза. Клетка работает с поступающим материалом очень рационально, практически безотходно. Людям, до такой рациональности, ещё пока очень далеко.

Живая клетка, зачастую, проявляет потрясающую выживаемость. Ей не доступны только области высоких температур, где происходит уже необратимое разрушение структуры клетки. Отдельные представители одноклеточных организмов выживали в очень суровых условиях: в условиях космического холода, при отсутствии внешнего давления, в агрессивных кислотных или щелочных средах, в практически кипящей воде. Такой выживаемости помогает использование всевозможных химических и физических свойств, существующих в природе. Так, к примеру, основной причиной гибели живой материи в условиях низких температур является образование из воды, находящейся в клетке, льда, который расширяясь, разрушает структуру клетки. Но растворенные в воде примеси способны значительно понизить температуру замерзания воды и содействовать выживанию клетки при пониженных температурах. Предполагается, что клетка способна иногда выжить в условиях космического холода, будучи замурованной в каменном объекте, ставшим потом метеоритом в космическом пространстве. В таком случае, клетка может оказаться в столь малом объеме, что в нем не сможет образоваться кристалл льда. И клетка останется неразрушенной весьма продолжительное время. А, с учетом того, что при такой температуре все внутренние процессы приостанавливаются, то можно сказать, что клетка «заснет» на продолжительное время, оставаясь при этом целой и живой.

Кроме известных и понятных нам свойств природы, используемых клеткой для жизнедеятельности и выживания, клетки используют дополнительные свойства, работающие только на микроуровне. К ним можно отнести капиллярные явления, броуновское движение мелких частиц, а также иные соотношения размеров, массы и усилий, чем мы имеем в макромире.

Один из самых поразительных механизмов, присущих живой клетке – это постоянный поиск, постоянная видоизменяемость и приспособляемость к меняющимся окружающим условиям существования. В процессе таких изменений клетка способна вырабатывать свойства, которых не было у её предков. Таким образом, в этом крошечном объеме заложена способность к творчеству. Да, это творчество ограничено простым перебором разных вариантов, с последующим отбраковыванием получившихся результатов условиями существования. Но, с учетом неограниченности времени в этих переборах и поисках, оно прекрасно работает. Ему мы обязаны своим существованием и всем многообразием окружающей нас жизни.

Вряд ли первая живая клетка возникла на Земле. Уж слишком много условий нужно сложить вместе, чтобы образовалось это чудо! Трудно вообразить требования, необходимые для зарождения первой ячейки жизни. Клетка поразительно сложна для одноразового образования. При этом никакие промежуточные, более простые образования нежизнеспособны или не устойчивы. Разве, что вирусы. Но, похоже, вирусы являются более поздним природным образованием.

А вот попасть на Землю с каким-либо метеоритом, живая клетка вполне могла. И попав здесь в более или менее пригодную для жизни среду, произвела лавину эволюции, производя новые и новые формы жизни и меняя попутно сами условия существования. Трудно вообразить, что всё многообразие земной жизни началось с одной крошечной живой клетки.

Механизмы развития и эволюции

Два механизма жизнедеятельности организмов внесли колоссальный вклад в развитие всего живого на Земле – симбиоз и вирусы.

Симбиоз – это близкое сообщество живых организмов, принадлежащих к различным биологическим видам. Симбиоз действует либо ко взаимной выгоде, когда различные организмы помогают друг другу в выживании, либо один из видов получает выгоду от сосуществования с другим. Большинство существующих живых организмов, независимо, животного или растительного происхождения, появились в результате многочисленных симбиотических процессов. Часть из этих процессов произошла и завершилась в глубокой древности с полной или частичной передачей генетической информации от одной особи в геном другой. Теперь это объединение представляется единым организмом. Другие продолжают действовать до сих пор, помогая друг другу в выживании. Симбиоз существует на любых уровнях: от уровня клеток, до макроуровней. В клетках большинства современных организмов существуют как составные части митохондрии, вырабатывающие тепло для организма, или хлоропласты, осуществляющий фотосинтез, производя органические соединения из неорганических. Когда-то давно, на заре земной жизни, они произошли из захваченных клеткой чужеродных бактерий, умеющих делать то, что не умеет сама клетка для своей пользы, и прижившихся в ней. Те же прототипы митохондрий частично передали часть генетической информации геному клетки и уже не могут жить без неё отдельно, но всё равно размножаются в ней самостоятельно как чужеродные объекты. Нисколько не удивлюсь если окажется, что и нервная система животных появилась в результате симбиоза. На макроуровне симбиоз представлен очень широко, от желудочных и кишечных бактерий, без которых было бы невозможно пищеварение, в том числе и у людей, до растений, опыляемых насекомыми, или птиц, высиживающих чужих птенцов. Или взять пример лишайника – симбиоз гриба и водоросли. Он может существовать в крайне суровых условиях как самодостаточная система. Гриб создает условия для жизни и развития водорослей, которые развиваются за счет фотосинтеза, а они, в свою очередь, умирая питают гриб. Некое единое целое, не существующее одно без другого. Группа лишайников представлена более 26000 видов.

Но я предлагаю рассматривать понятие симбиоза в более расширенном виде: не только как сообщество живых организмов, но и как способность организма расширить свои возможности за счет подключения иных материалов или свойств природы: построение из подручных материалов защитных оболочек, использование электрических разрядов и многое другое. Как будет видно в дальнейшем, возможность подключить к организму внешнюю память резко выделила человека из среды остальных животных.

Вирусы – это механизм создания живыми организмами отложенной внешней генетической информации. У большинства людей, относительно вирусов, существует два распространенных заблуждения. Первое заключается в том, что люди считают вирусы некими живыми объектами, наподобие живых клеток или бактерий. Второе заблуждение – вирусы, это исключительно вредные образования, вызывающие только болезни, и с ними надлежит постоянно бороться.

И то, и другое утверждение в корне не верно. Вирусы – это потрясающее изобретение живой природы, породившее всё многообразие сложных многоклеточных живых организмов. Не будь на свете вирусов, не было бы на Земле той природы, которая нас окружает, включая и людей. В лучшем случае – какой-то бульон из примитивных одноклеточных организмов.

Что такое вирус? Вирус – это кусок молекулы ДНК или РНК в защитной белковой оболочке. Всё! Здесь больше ничего нет. Возможны какие-то зацепки, метки, приспособления, но это всё относится к строению белковой оболочки. Цепочка ДНК или РНК молекул – это природный генетический код, на котором записана нужная для жизнедеятельности организмов, информация. Получается, что вирус, это некая внешняя генетическая память. Некая «флэшка». В этой книге мы ещё не раз столкнемся с понятием внешней памяти и её значением для жизни в целом и для людей в частности.

Вирус не питается, не движется, не дышит, не размножается, не вырабатывает никаких веществ, ничего не поглощает, ничего не выделяет, никогда ни на кого не нападает. По сути, он не живой. Его невозможно убить, поскольку не живой, а можно только разрушить. Его можно рассматривать как некий органический кристалл. Маленький такой кристаллик. Это совершенно крохотное образование. На его фоне, по размерам, живая клетка – как стадион относительно футбольного мяча. Его сила – в заложенной в его памяти информации. Этакий внешний носитель информации. Сравните с внешними носителями информации в современных вычислительных системах. Аналогия, здесь, весьма уместна.

Вирусы выполняют очень важные функции в деятельности живых организмов. Рассмотрим две из наиболее важных.

Первая из них – это отложенная генетическая информация. Среди того многообразия информаций, используемых клетками организма в процессе жизнедеятельности, встречается ряд информаций, нужных не всегда. Например, при смене сезонов или при смене климата. При одном сезоне или климате используется одна модель поведения механизмов организма, при другом – другая. Во время жаркого периода нужно запускать механизмы, охлаждающие организм. В холодное время – механизмы, вырабатывающие дополнительное тепло и ещё множество внутренних процессов, о которых даже не подозреваем.  При влажном климате – одно поведение, при сухом – другое. Или для животных: пришли холода – нужно менять мех, или накапливать жировые отложения, и огромное количество других механизмов жизнедеятельности. О таких вариантах поведения нужно где-то хранить информацию – что вырабатывать, когда вырабатывать, куда и как отправлять. Из-за геологических процессов и внешнего космического воздействия условия существования на Земле постоянно меняются. Соответственно, у живых организмов вырабатываются и накапливаются новые и новые модели жизнедеятельности. Где хранить эту информацию? Большинство из этих информаций нужны от случая к случаю. А некоторые из них не будут востребованы вовсе, пока организм не попадет в новые условия, иногда, только при перемещении на другие территории.

Для таких случаев природа наработала механизм – выработка и распространение вирусов. Подобная информация хранится в этих вирусах, вне организма. Внутри организма хранится только информация, необходимая постоянно.

Крохотность вирусов, отсутствие в них воды, гарантирует сохранность их в окружающей среде и летучесть. Как только изменились внешние условия и организм почувствовал некий дискомфорт, он сразу ищет необходимую дополнительную информацию. Чаще всего она приходит через дыхательные пути. В каждый организм постоянно попадает большое число самых разнообразных вирусов, но организм захватывает в работу только вирусы своего вида, необходимые сейчас и здесь. Найдя этот вирус, организм вводит его внутрь клеток, сняв с него защитную белковую оболочку и, используя внутриклеточные механизмы, считывает заложенную там информацию. Затем, он её многократно тиражирует, создавая огромное число новых подобных вирусов, и рассылает их как для исполнения внутри организма, так и выбрасывая вовне, для будущих потребностей. После размножения заложенной информации она запускается в работу, управляя производством необходимых веществ. Для запуска такого процесса достаточно одного вируса.

Относительно людей, эти процессы связаны со всевозможными простудными недомоганиями или периодами акклиматизации. По сути, это некий болезненный период перестройки организма к новым изменившимся условиям существования. Иной раз организм ошибается, и люди за время межсезонья успевают переболеть не один раз. Что поделать – это неуправляемый процесс.

Вторая важнейшая функция вирусов – это обеспечение видоизменяемости организмов. По сути, это единственный механизм, поддерживающий такой процесс.

Давайте посмотрим, как передать накопленные положительные изменения организма по наследству.

Вначале определим, что такое изменения в организме и какие изменения положительные.

Значимые изменения в организме начинаются от мутации генетического кода клетки из-за внешних воздействий, чаще всего – радиации. Только в этом случае клетка при делении передает новую информацию другой образовавшейся клетке. И та клетка будет функционировать как-то по-другому, считывая новую информацию с ДНК. Никакие другие изменения в клетке не имеют значения, поскольку не передаются по наследству. Следовательно, клеточные изменения – это изменения генома клетки в результате мутации.

Для одноклеточных организмов этого достаточно. Дальнейшую судьбу изменений разберет ход эволюции. Если клетки стали лучше выживать, то изменения останутся, если – нет, то отомрут.

Другое дело, в многоклеточном организме. Чаще всего клеточные изменения бывают отрицательные, приводящие к ухудшению свойств клеток. Иногда – к образованию злокачественных опухолей. В организмах наработаны механизмы по уничтожению таких клеток. В нормальном, здоровом организме постоянно возникает большое количество клеток мутантов, уничтожаемых иммунной защитой.

Но вот произошла положительная мутация, приводящая к улучшению свойств организма. Шаблоны защиты её не выявили и не убили. Уже хорошо. Как с ней поступить и как сохранить эту информацию? Ведь чтобы передать такую информацию по наследству, она должна попасть в геном половых клеток. Относительно всего организма, это что-то где-то в другом краю галактики, и оно давно сформировано без всех этих изменений. Как донести эти изменения и как включить в структуру генома?

Вот тут выясняется, что единственным механизмом, способным это сделать, является внешняя генетическая память, то есть вирусы. Информация об этом изменении должна попасть в соответствующий вирус.

Пока неизвестно, возникшее ли изменение генетического кода вызывает порождение нового вируса с новой информацией, или сам вирус является этим инициатором изменений. Ведь вирусы, кроме оболочки, не имеют никаких иных средств защиты и легко подвергаются любой трансформации и сами могут являться основным механизмом возникновения новых мутаций. Так или иначе, информация об изменении попадает в вирус. Дальше, клеточные механизмы тиражируют этот вирус и распространяют как внутри организма, так и за его пределы. Путешествуя внутри организма вирус способен проникнуть в механизм формирования половых клеток и попасть в их структуру. Далее, при определенных обстоятельствах, вирус может быть встроен в геном этой клетки. Всё, мы попали в конечную точку. Теперь изменения могут передаваться по наследству. А вирусы, выведенные за пределы организма, способны доставить эту информацию и другим особям. Двойная польза!

Благодаря научным исследованиям, проводившимся не так давно американскими учеными, по исследованию генома человека, мы уже знаем, что геном человека имеет вирусное происхождение. Все его участки были когда-то просто вирусами.