КАК ТВОРИТСЯ МАТЕРИЯ.
Как творится живая материя
В предыдущем этюде мы установили, что всякий вид, когда-то родившейся материи состоит из материи предыдущего вида: разумная из живой, живая из физической, а физическая из виртуальной.
Но что значит: «материя состоит из…»?
Поскольку физическую материю мы поставили в один эволюционный ряд с другими видами материй, то предполагая о существовании общих, наследуемых законов эволюции, имеет смысл познакомиться с тем, что значит «состоит из…» применительно к другим, доступным для наблюдения видам материи: живой и разумной. А после их сравнительного анализа перейти к физической материи.
Для того, чтобы воспользоваться аналогией как методом мышления, предмет-аналог надо рассматривать с предельно общей точки зрения, чтобы частное не заслоняло общее, и чтобы не пересечь некоторой красной черты, за которой начинается вотчина специалистов соответствующей области знания. Здесь необходима особая осторожность, чтобы оставаться на лезвии междутемья, и не стать предметом насмешек для профессионалов. Но это совсем не значит, что за пределами этой вотчины мы не имеем права выстраивать обобщённые логические конструкции, которые, возможно, их шокируют. Это нормально.
Итак, в этом этюде мы рассматриваем, что значит «состоит из…» применительно к живой материи.
Когда говорят о том, что физический объект состоит из тех или иных составных частей, то это понимается буквально: атом состоит из ядра и электронов, комета – из остатков вещества, оставшегося после образования Солнечной системы в виде льда и газов, чередующихся со слоями пыли. Применительно к живой материи такое буквальное, «компонентное» понимание неприемлемо. Жизнь – это новый «уровень организации материи», отличный от физического. Поэтому «состоит из…» здесь наполняется новым содержанием.
Клетка, как элементарная единица живой материи (примитив) состоит из неживой материи: неорганических и органических молекул. Причём, она не просто состоит, а творится из них! В основе творения живой материи из неживой лежит метаболизм, представляющий собой обменный процесс, в котором «неживая» материя вовлекается в воспроизводство, становится «живой» в составе функционирующей клетки или всего организма, а после выполнения своей функции утилизируется до уровня «неживой» материи и выводится из организма. Остановка метаболизма (как в качестве причины, так и в качестве следствия) означает утилизацию до уровня «неживой» материи уже всего объекта живой природы. То есть, понятие «состоит из…» здесь совершенно иное, чем у физической материи. Мертвая клетка может состоять из тех же самых молекул, что и живая, но без метаболизма это уже «физическая материя».
Подобный подход к клетке, скорее всего, шокирует биолога, поскольку для него клетка и её органеллы являются данностью, а метаболизм представляет собой лишь механизм её жизнедеятельности. Это и понятно: разница в подходе. Мы рассматриваем жизнь как процесс её непрерывного творения из неживой материи, а биолог – как функционирование того, что уже сотворено.
Как нетрудно заметить, неорганические и органические молекулы просто так, самостоятельно, в процесс метаболизма не вовлекутся. Их, во-первых, необходимо доставить к месту сборки, то есть решить ТРАНСПОРТНУЮ задачу, а, во-вторых, кто-то или что-то должно осуществлять процесс непрерывного ТВОРЕНИЯ клетки.
Вот как Природа решила ТРАНСПОРТНУЮ задачу.
Транспорт материалов, необходимых для метаболизма клетки осуществляется средствами организма, в состав которого входит клетка. То есть МЕТАБОЛИЗМ КЛЕТКИ ВСТРАИВАЕТСЯ В МЕТАБОЛИЗМ ОРГАНИЗМА. (Метаболизм промежуточных структур организма мы пропустим, полагая, что это и так понятно). Метаболизм одноклеточных организмов встраивается в метаболизм организма хозяина, или колонии микроорганизмов.
Хорошо известно, что организм является однонаправленным преобразователем физической материи. То, что в него входит, и то, что из него выходит в результате физико-химических превращений, имеет разный качественный состав. Поэтому один тип организмов рано или поздно переработает исходный субстрат в продукты жизнедеятельности, и жизнь остановится.
Для исключения подобной ситуации Природа методом проб и ошибок нашла решение в виде биологического круговорота материи. Упрощённо его можно представить в виде шутливого биоценоза: «микроорганизмы, травка, зайчики и волки». Зайчики кушают травку, волки кушают зайчиков, а микроорганизмы утилизируют останки и тех, и других до уровня, пригодного для употребления травкой.
Таким образом МЕТАБОЛИЗМ ОРГАНИЗМА ВСТРАИВАЕТСЯ В БИОЛОГИЧЕСКИЙ КРУГОВОРОТ, или, круговорот живой материи, в результате которого организм получает необходимые для воспроизводства вещества, при этом сам является для кого-то сырьем. Совокупность всех биоценозов (уже не шутливых) составляют живое вещество, или живую материю Земли.
Но и биологический круговорот возможен в условиях, когда неорганические материалы, необходимые для творения живой материи, доступны всем участникам биоценоза. С этой целью БИОЛОГИЧЕСКИЙ КРУГОВОРОТ ВСТРАИВАЕТСЯ В КРУГОВОРОТ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ в границах биосферы. Таким образом, БИОСФЕРА – это предельная структурная форма, внутри которой возможно «вечное», то есть устойчивое воспроизводство живой материи. Ни одна из её частей на такое не способна. Причём, прекращение круговорота веществ однозначно означает и прекращение жизни.
Рассмотренная логика круговоротов была заложена в трудах российского и советского биогеохимика и философа Владимира Ивановича Вернадского. Он определял биосферу как “область существования живого вещества” и рассматривал его как ГЕОЛОГИЧЕСКУЮ СИЛУ, благодаря которой возникли современные атмосфера, гидросфера и литосфера с запасами всех полезных ископаемых – от органических угля и нефти до абсолютно инертного золота.
Мы же разворачиваем логику рассуждений В.И. Вернадского на 180 градусов, и теперь геологические процессы рассматриваем, как ЖИВОТВОРЯЩУЮ СИЛУ. Современные залежи полезных ископаемых – это свидетельство невостребованности продуктов метаболизма первых организмов, когда жизнь ещё не создала замкнутого, безотходного круговорота живой материи. Но именно эти неорганические субстраты стали средством зарождения и существования жизни на планете Земля.
При рассмотрении метаболизмов и круговоротов, мы не учли крайне важную часть этого процесса – энергию, без которой невозможны ни транспорт веществ, ни биохимические преобразования в клетке. С физической точки зрения биосфера представляет собой открытую термодинамическую систему. Источником энергии, для жизни в целом, являются Солнце и недра Земли. Они находятся за границами биосферы, наполняя её энергией путём излучения и конвективной теплопередачи. Непрерывное поступление внешней по отношению к биосфере энергии, и использование прежде накопленной энергии, является главным механизмом подавления действия второго закона термодинамики. За счёт постоянного притока внешней энергии Природа организует направленные процессы, препятствующие увеличению энтропии термодинамической системы.
Один из основателей советской-российской школы биофизики Лев Александрович Блюменфельд в статье «Информация, термодинамика и конструкция биологических систем» подсчитал, что упорядоченность биологической организации человеческого тела «стоит» около 300 энтропийных единиц, что компенсируется увеличением энтропии на такую же величину при испарении 170 грамм воды. Как с огорчением замечает уважаемый Лев Александрович: «Согласно физическим критериям, любая биологическая система упорядочена не больше, чем кусок горной породы того же веса. Хотя эти оценки не могут быть оспорены, они вызывают чувство неудовлетворенности… Если физика говорит, что эта упорядоченность ничего не стоит, то хочется ответить: тем хуже для физики».
И надо заметить, его сомнения более, чем обоснованы. Он рассчитал стоимость упорядочения человеческого тела, как физической материи, как манекена, а не как биологического организма. Лев Александрович не заметил разницы между живым и мёртвым организмами. Перспектива любого организма вне метаболизма – это рост энтропии и, в конечном итоге, разрушение. Энергозатраты, пошедшие на исходное упорядочение молекул организма, в короткое время будут обесценены.
Если физические тела, такие как горные породы, защищены от разрушения высокой энергией межмолекулярных связей, составляющей сотни килоджоулей на моль, то биополимеры лишены такой защиты. Энергия их межмолекулярных связей на полтора – два порядка меньше. Поэтому непрерывный процесс разрушения этих связей компенсируется метаболизмом, по сути, представляющим собой процесс восстановления разрушенных связей и структур, или, по другому - гомеостаз организма. Таким образом для поддержания упорядоченности такой хлипкой конструкции, как человеческое тело, необходим не одноразовый, а постоянный приток вещества и энергии в виде ежесуточного питания.
В состоянии сна человек весом 70 кг тратит около 60 ккал в час. С учётом этого сопротивление человеческого тела росту энтропии, в пересчёте на объем испаренной воды, составляет около 2,5 литров в сутки, а за всю жизнь – 75 кубометров. Это больше, чем объем железнодорожной цистерны! Так что прав Лев Александрович: «Если физика говорит, что эта упорядоченность ничего не стоит, то хочется ответить: тем хуже для физики».
Итак, с транспортной задачей мы разобрались. Осталось определиться с организацией процесса ТВОРЕНИЯ клетки.
В течение жизни в теле человека погибают и образуются тонны новых клеток.
Каждую секунду обновляется почти 3,8 миллиона клеток, а за сутки — 330 миллиардов клеток. Большинство из них (86 %) принадлежит клеткам крови, еще 12 % эпителиальным клеткам ЖКТ, а 1,1 % — клеткам кожи. На другие типы клеток, которые живут от нескольких дней до 15 лет (например, скелетные мышцы), остается меньше одного процента.
Если заглянуть в учебник биологии, чтобы разобраться, как это делается, то там нас ожидает полное разочарование. Оказывается, клетка – это сложный завод - конвейер, состоящий из цехов-органелл, которые без устали принимают одни вещества, перерабатывают их в другие и выводят из клетки. Причём, в организме все клетки специализированы, каждая из которых выполняет свою функцию. Но откуда они знают, что, как и когда нужно делать? И, самое главное, кто это всё делает?
Если спросить биологов, как это происходит, то, скорее всего, они начнут рассказывать о центральной догме молекулярной биологии: ДНК -> РНК -> белок. Но это значит, что собственно о процессе творения они знают не больше, чем физики знают о механизме сил гравитации. Даже максимально безлюдные, роботизированные производства делают какую-то внешнюю продукцию, а не самих себя. И за их работой обязательно следит человек. Здесь же клетка делает самою себя и производит продукты метаболизма. И всё это осуществляется автономно, без «строителей» и без внешнего управления!
Вот что по поводу чуда жизни говорил советский биолог, генетик Николай Владимирович Тимофеев-Ресовский: «Жизнь на Земле представлена дискретными в пространстве и во времени формами. Индивиды различных видов, обладая способностью идентичного самовоспроизведения, образуют череду поколений. И в этой череде поколений, сколь бы ни сложны и велики по размерам были индивиды того или иного вида, два соседних поколения индивидов всегда отделяются друг от друга стадией одной клетки – оплодотворенной яйцеклетки. А из этого следует замечательное умозаключение: что в этой одной клетке, должно содержаться нечто, что мы сейчас называем кодом наследственной информации».
Таким образом, вся информация о самовоспроизведении не только клетки, но и будущего организма, и их «строителей» размещается в одной оплодотворённой яйцеклетке (зиготе) размером около 0,13 мм.
Говорят, что за наследственную информацию отвечают гены.
Тем, что гены представляют собой молекулы ДНК, уложенные в хромосомы, сегодня не удивишь никого. Но может быть удивление придёт от осознания грандиозности их конструкции?
У человека длина всех молекул ДНК, содержащихся во всех хромосомах одной клетки, составляет примерно 2 метра. Не зацепило? Пойдём дальше.
Организм взрослого человека состоит примерно из 30-50 триллионов клеток (без учёта клеток бактерий-симбионтов). Тогда общая длина всех молекул ДНК в организме человека составляет порядка 80 миллиардов км. Луч света сможет пройти это расстояние за 3 дня. Для сравнения, диаметр Солнечной системы, измеренный по гелиопаузе, равен одному световому дню! То есть на длине цепочки, составленной из всех молекул ДНК организма одного человека, могут разместиться три солнечные системы! Зацепило?
Но может быть и эта информация кого-то не впечатлила. Тогда другая цифра. В чреве матери увеличение суммарной длины ДНК - цепи развивающегося плода идёт со средней скоростью… 160 км/сек! Сегодня человечество смогло достичь только десятую долю такой скорости движения.
Эта информация приведена для того, чтобы стало понятно, что все статические схемы, которые рисуют биологи в виде: ДНК -> РНК -> белок, не стоят и ломанного гроша, если не представлять с какой скоростью проходит один из самых медленных биологических процессов - репликация ДНК.
Клетка организма – это совокупность устойчиво организованных и взаимосвязанных процессов, происходящих на молекулярном уровне с неимоверными скоростями. Другими словами, КЛЕТКА - это ПРОЦЕСС. Всё, что видят биологи в свои микроскопы не имеет отношения к живой клетке. Они изучают устройство трупа клетки, поэтому как творится живая клетка они вряд ли внятно нам расскажут. Процессы творения клетки чрезвычайно интенсивны и их нельзя наблюдать! Поэтому представления о способах их творения могут быть получены только путём теоретизирования.
Мы понимаем, что молекулы ДНК – это не то, что само может творить материю. У этой молекулы нет штата сотрудников, которые бы воплотили её замыслы в жизнь. Тот же вирус COVID-19 представляет собой молекулу РНК, защищённую белковой оболочкой. Генетическая информация, зашитая в его молекуле РНК, сама по себе ничего сделать не может. Ей нужна живая клетка, в которой она сможет развернуться. Вне неё окружающая среда разрушит молекулу РНК за время от нескольких часов до пяти суток. (Долго зараза сопротивляется росту энтропии). Таким образом и молекула ДНК сама по себе, как строитель клетки, ничего не стоит, а становится творцом только внутри клетки. Значит клетка содержит НЕЧТО, что с участием генов делает неживую материю живой.
Можно предположить, что роль «сотрудников», творящих живую клетку, играют естественные физико-химические процессы. По аналогии с внешней транспортной задачей можно предположить, что клетка – это совокупность встраиваемых друг в друга устойчивых циклических процессов, связанных с переносом и преобразованием вещества и энергии, включая, собственно, клеточный цикл. Для подтверждения этого вывода можно сослаться на Нобелевского лауреата Манфреда Эйгена, который разработал теорию иерархических каталитических Гиперциклов. Правда, одной этой теории нам недостаточно. Мы рассматриваем локализованные в пространстве и во времени события, поэтому интерес представляют не каталитические и автокаталитические реакции сами по себе, а их встраивание во внутриклеточные транспортные процессы, где каждое химическое преобразование происходит в нужном месте и в нужное время.
И самое удивительное, что все эти процессы в точности передаются новым поколениям через одну единственную клетку! За счёт внутриутробного метаболизма эта клетка развивается в полнокровный организм плода. А это значит, что генетическая информация управляет не только процессами внутри клетки, но направляет и синхронизирует процесс развития всего организма. И в этом смысле любой организм представляет собой некоторый запрограммированный Гиперцикл, в который встроены множественные циклы воспроизводства клетки и всех частей организма.
Таким образом, в основе ТВОРЕНИЯ жизни, лежат устойчивые циклические процессы, разворачивающиеся в пространстве и во времени, и которые встраиваются друг в друга по некоторой заданной программе, содержащейся в генетическом материале оплодотворённой яйцеклетки. Эта программа не может содержать инструкции как сделать клетку, органы и человека в целом. Такую инструкцию просто некому было бы исполнять. Программа организует и запускает устойчивые циклические физико-химические процессы, совокупность которых и воссоздает структуры клетки, органов и человека в целом.
Мы обнаружили, что жизнь возникает только из жизни. Вне неё творение живой материи невозможно! Естественно возникает вопрос: а как возникла первая клетка? И как из неё могло возникнуть всё биоразнообразие Земли и сам человек?
По утверждению биологов абиогенез, то есть зарождение жизни из неживой материи, произошло в Архее 3,6 млрд. лет назад. Правда механизм её зарождения до конца не ясен. На youtube есть замечательный фильм «Происхождение» из серии «Мифы эволюции» (https://www.youtube.com/watch?v=3BqB9ocb-c4). По утверждениям авторов (а с ними нельзя не согласиться) таких механизмов в рамках материалистического подхода могло быть только три:
- естественный отбор;
- самосборка;
- случайность.
Естественный отбор авторы фильма отбросили сразу, поскольку он предполагает наличие «генетической памяти», а до образования жизни её быть не могло.
Механизм самосборки позволяет собирать только простые конструкции, вроде кристаллов соли из молекул NaCl. Для «сборки» хотя бы простейшей молекулы белка он категорически не подходит.
Остаётся последний механизм – случайность. В фильме очень витиевато, в виде амёбы, ползающей из одного конца Вселенной в другой, доказывается невозможность работы и такого механизма. Поэтому мы рассмотрим аргумент попроще.
По утверждению астрофизика Фреда Хойла, вероятность самопроизвольной, случайной сборки живой клетки из неживой материи равна вероятности случайной сборки «Боинга-747» при прохождении урагана через мусорную свалку. Расчёт времени, необходимого для гарантированной сборки живой клетки путём случайных сочетаний молекул, показывает, что оно много больше времени существования Вселенной. Таким образом, жизнь на планете Земля существовать не может. Но она есть, она существует! "Значит,- делают вывод авторы фильм,- жизнь зародилась благодаря божественному творению". Но мы не будем спешить подключать к работе Бога там, где можно справиться и без Его помощи.
Авторы фильма поспешили выбросить из рассмотрения первый механизм – естественный отбор!
Из картинки «Так творится живая материя», размещенной в начале этюда, следует, что клетка необходимое, но недостаточное условие для творения жизни. И потом, клетка – это не совокупность молекул, а совокупность процессов. Из схемы следует, что «запуск» механизма жизни мог идти только в направлении от круговоротов физической материи к метаболизму клетки, и никак не наоборот.
В том, что предбиологический круговорот материи, то есть круговорот квазиорганизмов, должен возникнуть раньше метаболизма клетки нет ничего удивительного, если вспомнить, что по большому счёту, любой организм – это некоторый обобщённый Гиперцикл. Так почему же Гиперциклы, ещё не локализованные в «шкуре» животного, не могли быть вовлечены в естественный круговорот веществ ранней, геологически активной планеты?
На этапе раннего «круговорота предбиологической материи» Природа проверяла на устойчивость к внешним воздействиям всевозможные циклические и гиперциклические реакции, а это значит, что естественный отбор шёл не по молекулам, а по циклам и гиперциклам, в каждый из которых входил свой катализатор (автокатализатор) – ускоритель химической реакции. Наработанные устойчивые циклы в последствии стали кирпичиками для живой клетки, а катализаторы – непосредственно или опосредованно единицами наследственной информации. В силу глобальности и множественности точек возможной сборки первой клетки, вероятность зарождения жизни становится вполне реальной.
Здесь впору вспомнить о невероятно высокой скорости сборки цепи молекул ДНК плода, развивающегося в утробе матери – 160 км/сек. Этот хитрый приём суммирования применен специально для того, чтобы продемонстрировать эффект больших чисел. В пересчёте на одну клетку скорость приращения длины молекул ДНК оказывается равной всего 3 пикометрам (3*10^-12) в секунду, что почти в 20 раз меньше размера атома водорода. А вот применительно к зарождению жизни на планете Земля эффект больших чисел переводит явление из разряда случайного в разряд необходимого.
Следовательно, новая материя зарождается не в результате совокупности случайных событий, а в результате непрерывного потока причинно взаимосвязанных событий, вызванных круговоротом веществ геологически активной планеты, что переводит явление из элементарно случайного в глобально необходимое! И главное в этом процессе – наличие соответствующих условий для зарождения жизни. Поэтому если и говорить о вероятности её зарождения, то только с точки зрения вероятности возникновения таких условий в процессе эволюции круговорота физической материи планеты. Если же такие условия есть, то остальное – дело времени.
Подтверждением этой версии может служить известный феномен черного курильщика. Черные курильщики – это горячие источники, бьющие на дне океана на глубинах от 2 до 5 км и являющие собой пример локального круговорота веществ. Океаническая вода по трещинам в земной коре под давлением столба воды в сотни атмосфер проникает в верхнюю часть мантии. Там за счёт её тепла разогревается до температуры в 300–400 градусов и выбрасывается назад. По пути из недр земли в ней растворяется большое количество сероводорода, сульфидов и оксидов металлов, которые при выходе наружу образуют твердые взвеси, придающие источнику черную окраску, напоминающую клубы чёрного дыма. Эти источники существуют не более 80-100 лет, и располагаются друг от друга на расстояниях в тысячи километров. Но как только начинает бить новый «курильщик» тут же в непосредственной близости от него, где температура воды составляет 100 – 120 градусов возникают примитивные хемосинтезирующие бактерии, которые не могли сюда прибыть от других курильщиков, поскольку остальной океан для них «ядовит». А через некоторое время у курильщика образуется собственный биоценоз из живых форм, большая часть которых водится только в районе горячего источника, и нигде больше.
Как видим, скорость зарождения жизни из неживой материи может быть очень высокой. Поэтому для её зарождения необходимо, чтобы на планете в течение некоторого времени выдержались «предбиологические» условия. А для этого надо, во-первых, чтобы круговорот веществ на планете всё время эволюционировал, а, во-вторых, чтобы скорость этой эволюции, с одной стороны, была не слишком высокой, чтобы на этапе наибольшего благоприятствования успела зародиться жизнь, а с другой – не слишком медленной, чтобы момент зарождения жизни не совпал с концом жизни звезды.
(Продолжение следует)