Давно хотела узнать о принципах, которые влияют на объединение клеток в микроорганизмы, а микроорганизмы в большие тела. Что побуждает клетки к определению своих функций? Как они решают, что я буду клетками крови или мышцы, или почек, или кожи? Увидела книгу Рагувира Партасрати «Простое начало» и очень обрадовалась, хотя далась она мне нелегко. Делая вот такой краткий конспект (который, надеюсь, и вам будет интересен), я всегда укладываю мысли по полочкам, что делает путь к следующему познанию гораздо легче и интереснее.
Начну с основ. На уроках биологии мы это изучали, но, блин, кто сейчас вспомнит 🤪
Чем живое тело отличается от неживого? Наличием души, наверное, подумали вы. Эту категорию мы трогать не будем, так как ее существование сложно доказать, зато можно сколько угодно много на этой теме спекулировать. Тогда сознанием? Тоже не подходит, ведь сознанием обладает даже фотон.
Тогда химическим составом? Да, эта категория понятна и вполне измерима. Все живые существа: растения, грибы, бактерии и животные имеют белковую основу. Если очень коротко: ДНК — это, условно, карта памяти, которая лежит в основе каждой клетки, и где зашит код, который будет строить свой, уникальный белок по заданному коду. Чтобы этот код расшифровать нужна РНК, она считывает код и строит белок в нужной последовательности аминокислот. Аминокислот известно 500, а для человека важны всего 20, ну как всего)) представляете сколько разных последовательностей можно сложить из 20 цифр. Больше десяти триллионов.
Принцип самосборки
Самое интересное в этом то, как этот белок потом складывается, а соответственно, от чего будет зависеть финальная форма тела из конкретного набора белков. Почему они складываются вот в такие варианты закручивания и потом каждый раз это закручивание повторяют много-много раз? Я бы никогда себе на это вопрос так не ответила, слишком уж просто звучит — потому что им так удобно.
Молекулы любой структуры соединяются друг с другом по принципу комплиментарности. Мы тоже, кстати, общаемся друг с другом по принципу схожести: интересов, мировоззрений, темпоральности и много чего еще. Внутри аминокислотной последовательности есть элементы положительно или отрицательно заряженные, есть нейтральные. Одни большие, другие маленькие. Кто-то из них гидрофобен и не любит воду, а другие гидрофильны — очень любят смешиваться с водой. Нашла хороший наглядный пример как это происходит.
Получается, что белок сам моделирует себя, укладываясь в пространстве должным образом. В белках, пожалуй, ярче всего проявляется принцип самосборки, подразумевающий, что природа кодирует инструкции по организации вещества в самом веществе, а затем они активируются и выполняются универсальными физическими силами. Самосборка характерна не только для живых организмов — насыпаемый песок, например, собирается в конусы, наклоненные под определенными углами, а мыльные пузыри формируются в сферы.
Если мы посмотрим на принципы формирования неживых материй, то увидим принцип самосборки в кристаллических решетках. Только у них отсутствует информационно-управляемая регуляция процессов, выполняемая ДНК. Все зависит от межатомных сил тех атомов из которых строится вещество, термодинамики, температуры, давления, электрического и магнитных полей и так далее. Важным базовым принципом тут является то, что частицы и молекулы стремятся к такому расположению, которое уменьшает границы раздела фаз и минимизирует энергетические затраты. В качестве яркого примера можно привести углерод, из атомов которого под воздействием разных факторов появляются разные материи, а атом всего один — углерод: графит, алмаз, графен и т.д.
Влияние окружающие среды на формирование материи
Вы наверняка слышали про стволовые клетки. Их сейчас используют в медицине и делают большие ставки в стартапах по омоложению организма. Что же это за клетки такие? Стволовыми называют клетки, которые еще не определились со своей идентичностью и сохраняют способность производить более одного типа клеток, включая новые стволовые. Послушайте этот выпуск на радио, очень интересно.
Если сравнивать их функции с выбором профессии у людей, то возможности смены деятельности у них после идентификации не будет. То есть если решила быть нейроном, эпидермисом, плазмой крови, то тебе туда, обратно дороги нет. И влияет на это не что иное как окружение и внешняя среда. «На мягком матрасе она превращается в ночную рубашку, а на твердом черепе — в шлем. Одна и та же клетка, с одним и тем же составом аминокислот. В определении клеточной судьбы участвуют не только биохимические, но и механические сигналы. Механика управляет и многими другими процессами, от распознавания прикосновений до восприятия звуков волн, от ощущения гравитации растениями до различия верха и низа».
Размер имеет значение.
С формирования клеток мы поднялись на ступень к формированию органов и систем функционирования организма. Пришло время рассмотреть организм в целом.
И тут автор спотыкается, его повествование тонет в большом количестве математических расчетов, связанных с тем, что при разных размерах тела животного меняются его физические свойства, физические законы по которым этот организм работает. И нельзя применять одни физические свойства к животным разного размера и масштабировать их пропорционально. Бактерия никогда не будет плавать как кит, а слон прыгать, зато муравей может переносить груз в десять раз больше собственного веса.
В качестве примера он приводит метаболизм и концепции вычисления зависимости размера тела от скорости метаболизма. После двух глав сумбурных рассуждений… никаких выводов. Отсюда напрашивается другой вывод — живой организм гораздо сложнее неживого. Их трудно просчитать математически, всегда возникает неведомый фактор, который ломает все уравнения. Прочитав все измышления на этот счет, я подумала, почему никто из ученых не учитывает принцип эмерджентности? Ведь один большой организм состоит мириады маленьких и каждый из них со своими желаниями и где-то они сливаются в общую систему, а кто-то наверняка продолжает работать по-своему. Вот тебе и неведомый фактор.
В последней граве автор фантазирует о будущем и возможности генетического моделирования, в том числе революционным методом CRISPR-Cas9. Но мне, честно говоря, страшно каких Франкенштейнов мы налепим, не зная базовых принципов вроде масштабирования метаболизма.
Но чтобы не заканчивать статью на такой неопределенной сложности, расскажу про молекулы жидкостей. Все мы знаем про поверхностное натяжение воды и водомерок, которые спокойно по ней гуляют. Почему так получается?
Эта сила возникает на поверхности любой жидкости. Какой бы ни была жидкость, составляющие её молекулы притягиваются друг к другу. Каждая молекула масла хочет находится с другими такими же. Если уподобить молекулы людям, можно сказать, что обитатели поверхности несчастливы, потому что они контактируют частично с воздухом, а не с себе подобными. И жидкость как целое стремится минимизировать площадь своей поверхности, чтобы несчастных молекул было как можно меньше. Более того, жидкость противится любым процессам, увеличивающим площадь поверхности, и поэтому возникает то самое поверхностное натяжение.
Представляете как плохо бывает вину, когда его переливают в этот плоский стеклянный графин, чтобы его молекулы побыстрее провзаимодействовали с кислородом 😊