Разработка Полной Теории сотворения природой живой клетки

В 20-ом веке в биологической науке произошли новые, грандиозные открытия. Была создана теоретическая модель строения молекулы ДНК - главной молекулы живой клетки природы, а на рубеже третьего тысячелетия учёными-биологами была раскрыта одна из величайших тайн в истории человечества - определена структура генома Homo Sapiens (человека разумного).

Все мировые средства массовой информации растиражировали эти важнейшие достижения научной мысли. И, в это же самое время, абсолютно тихо, без всякого информационного ажиотажа, другими учёными были созданы ещё два, не менее значимые открытия, так же в области биологической науки. Была создана полная теория сотворения Природой живой клетки-основы всех форм жизни на Земле, а также открыта неизвестная ранее волновая структура ДНК-волновой геном. Эти открытия до сих пор не получили должной оценки ни со стороны научного мира, ни со стороны мировых средств массовой информации. Именно об этих новых направлениях биологической научной мысли и пойдёт речь в, предлагаемой на суд читателя, моей новой работе.

Среди учёного мира до настоящего времени не существует единого мнения о том, каким образом зародилась жизнь на нашей Планете. Земля образовалась примерно 4,7 миллиардов лет тому назад, а самые первые примитивные формы жизни найдены в земных отложениях, возраст которых составляет около 4-х миллиардов лет. Существует множество гипотез того, как и где появились первые примитивные живые существа. Но, при этом, абсолютное большинство учёных пришли к единому мнению-начальная форма жизни на Земле зародилась в воде. По одной из гипотез, автором которой является академик А.И.Опарин, считается, что в самый начальный период зарождения Земли, электрические разряды, в виде молний, разряжаемых в воды океана, солнечная радиация, непрерывные ливни, извергаемые из грозовых туч, с водами которых в океан попадали различные химические элементы, смываемые с поверхности почвы-всё это способствовало соединению простых химических веществ в молекулы более сложных химических элементов-органических молекул, что способствовало образованию в водах океана первичного бульона из простых и сложных химических элементов Эти химические вещества, перемешиваясь в воде под воздействием штормовых ветров и непрерывных электрических разрядов, стали объединяться в более сложные химические образования, из которых, в течении длительного времени, стали образовываться сгустки, создавая основу появления первых живых клеток. Эта гипотеза была проверена экспериментально как самим академиком А.И.Опариным, так и позже американским учёным Стендли Миллером и другими учёными. Но всем этим спонтанно образовавшимся амиокислотам, состоящим из простых сахаров, адеина, ризобы... ещё необходимо было каким-то образом объединиться и создать сложнейший организм, коим является живая клетка. И в этом вопросе у учёных-биологов не было единого понимания и не была выработана единая теория создания Природой такой сложнейшей самоорганизующей системы, которой является живая клетка. Которая примерно состоит из 10 в 13 степени динамически взаимодействующих между собой молекул.

Теоретическое обоснование образования этой сложнейшей системы было впервые разработано в 60-ые годы прошлого века Нобелевским лауреатом Ильёй Пригожиым (Бельгия). Разработанная им теория образования живой клетки явилась ключом к пониманию возможного варианта возникновения жизни на нашей Планете. Эта основополагающая теория была дополнена трудами учёных разных стран-Германа Хакена и Минфреда Эйгена (Германия), Джеймса Левлока (Англия), Линн Моргулис (США), Ульберто Матурано и Франциско Варела (Чили).

Разработке теории возникновения живой клетки Ильёй Пригожиным предшествовала ранее разработанная им же, в 60-ые годы прошлого века, теория самоорганизации материи, за которую он стал лауреатом Нобелевской премии. Согласно этой теории, любые сложные открытые системы (системы без обратных связей), не обладающие термодинамическим равновесием, под воздействием проходящих через эти системы потоков энергии, способны к самоорганизации. То есть могут самопроизвольно формировать некие упорядоченные структуры, а с появлением в них обратных связей, становятся способными поддерживать самих себя в динамическом равновесии. Но стоит только потокам энергии, проходящим через такие системы измениться, как система тут же может перейти из состояния динамического равновесия в неустойчивое, хаотическое состояние. А находясь в этом неустойчивом состоянии, любое воздействие на неё любых флюктуаций энергии, способны случайным образом перевести эту систему в новое, одно из возможных для этой системы состояний. При этом, находясь в новом состоянии, рассматриваемая система может приобрести новые, не имеющие у нею ранее свойства и возможности развиваться в более сложные структуры и участвовать, при этом, в более сложных процессах. Таким образом, способность системы к самоорганизации означает приобретение ей возможности самопроизвольного(спонтанного) зарождения новых структур и новых форм существования. Но сама система, при этом, пока ещё находится в хаотическом состоянии, далёком от состояния динамического равновесия. И только после того, как в системе образовались внутренние петли обратных связей, система выходит из хаотичного состояния и вновь переходит в состояние динамического равновесия.

Возникшие новые, более сложные системы, становятся стабильно устойчивыми и, при этом, у них возникает способность к самовоспроизводству и коррекции ошибок при самовоспроизводстве. То есть такая система (такие системы) способна хранить и воспроизводить(передавать) сложную информацию. И это новое свойство системы, способной самой себя воспроизводить, могло уже проявляться в химических сгустках "первичного бульона”океана задолго до появления первой живой клетки. Те сгустки химических элементов, которые образовывались в "первичном бульоне” океана самопроизвольно образовывали более сложные системы, стабильно устойчивые и способные к самовоспроизводству самих себя. Проходя через всевозможные периоды неустойчивости эти, более сложные химические системы, приобрели способность создавать всё боле высокие уровни организации, стали усложняться всё более нарастающим разнообразием компонентов и структур. Таким образом, новые, всё более с ложные химические структуры, как бы, приобрели способность к дарвинскому естественному отбору. Но для того, чтобы эта новая, более сложная система стала живой клеткой, она должна была приобрести собственные индивидуальные границы. Такой собственной границей, отделяющей эту систему от "первичного бульона”океана и дающей ей индивидуальность стала мембрана (мембраны), через которую проходит поток энергии и те вещества, которые поддерживают клетку в устойчивом состоянии, но ещё далёком от термодинамического равновесия.

Согласно предположению И.Пригожина, химические сгустки "первичного бульона” океана, ещё до своего молекулярного усложнения, собирались в образовывающиеся замкнутые пузырьки, составляющие индивидуальные границы сложных химических образований(сгустков). Такие долгоживущие пузырьки каждый из нас может наблюдать на поверхностях растворов, в которых протекают вялотекущие химические реакции. Внутренний объём таких пузырьков представляет собой замкнутую микросреду, в которой могли происходить направленные химические реакции. При этом, в такой среде могли накапливаться в больших количествах молекулы, которые в открытых пространствах просто не имели бы возможности образовываться, так как открытое пространство не способствовало новым химическим соединениям и их реакциям. Естественно, в таких закрытых пространствах, в число вновь образовавшихся молекул могли входить и те, которые могли послужить строительным материалом и для создания самой мембраны, проникая в неё они тем самым расширяли индивидуальное пространство пузырька. На каком–то этапе такого расширения происходил разрыв химического сгустка, пузырёк лопался, образуя два или более новых пузырька. Так начинала зарождаться возможность размножения будущей клетки, в результате её деления на последующую или последующие аналогичные сложные химические образования(сгустки), но уже в виде пузырьков. Подобные процессы роста сложной химической системы (сгустка), ограниченной мембраной и её (его) самовоспроизводства, оказывались возможными только в том случае, если мембраны пронизывались потоками материи и энергии. Это могло происходить в том случае, когда мембраны пузырьков оказывались полупрозрачными, что позволяло различным мелким молекулам проникать внутрь или встраиваться в саму мембрану. Среди таких мелких молекул могли оказаться хлорофоры-молекулы, поглощающие солнечный свет. Их присутствие создавало разность электрических потенциалов поперёк сечения мембраны и пузырёк, таким образом, превращался в устройство, преобразующее солнечную энергию в электрическую. В свою очередь, возможность такого преобразования позволяла создавать непрерывный поток энергии, который управлял химическими реакциями внутри клетки. А эти новые химические реакции, проходящие внутри пузырька, привели к образованию фосфатов, являющихся очень эффективными преобразователями и переносчиками химической энергии.

В этих, ещё примитивных, но уже ограниченных мембранами пузырьках, уже стали проявляться две определяющие характеристики будущей клетки жизни. Пузырьки оказались открытыми системами, пронизываемыми непрерывными потоками материи и энергии и всё это происходило уже в то время, когда они уже имели индивидуальное внутреннее пространство, защищённое от внешней среды мембранами. И в этом внутреннем пространстве вполне могли протекать различные химические реакции. На этом этапе уже всё было готово для дальнейшей эволюции этих изолированных сгустков в живую клетку. В научной литературе эту готовность превращения изолированных от внешней среды сгустков в живую клетку назвали периодом начала пребиотической (период до появления живой клетки) эволюции. В океане, в”первичном бульоне” собиралось множество таких индивидуальных пузырьков с множеством различий в химических свойствах и структурных компонентах. И если при делениях пузырьков, во вновь образовавшихся, эти различия сохранялись, то можно уже говорить о том, что в новых пузырьках возникала "почти генетическая память” (прегенетическая память).

Борьба за получение максимально возможной энергии из окружающей среды заставляла пузырьки соперничать друг с другом, порождая среди них своего рода дарвинскую борьбу за собственное существование - своего рода дарвинский естественный отбор. Благодаря такому отбору отдельные случайные события молекулярного состояния могли давать преимущества для будущего развития конкретного из пузырьков или какого–то множества пузырьков, соответственно их ценностям, для будущего развития конкретного из пузырьков или какого-то множества пузырьков. И эти приобретённые ценности давали возможность этим пузырькам преимущества в их эволюционном развитии по сравнению с другими. Кроме того, могли иметь случаи и слияния(симбиоза) различных видов пузырьков, как бы предвосхищая случаи возникновения новой жизни в результате слияния организмов в будущей биологической эволюции живых существ.

Образование мембран и окружённых ими замкнутых пузырьков представляло собой ключевую стадию пребиотической эволюции. Именно изоляция пузырьков от внешней среды с помощью мембран явилось главным и качественным переходом от неживых сгустков химических молекул к живой клетки. Химический механизм этого важнейшего процесса прост и широко распространён в природе. В основе этого механизма лежит упомянутая выше электрическая полярность молекулы воды. Благодаря этому физическому эффекту молекулы одних веществ являются притягивающими для молекул воды (гидрофильными), а другие отталкивают молекулу воды (гидрофобные). К третьему роду относятся молекулы масляных веществ (липиды) Это вытянутые образования, один конец которых отталкивает молекулу воды, а другой - её притягивает. Контактируя с водой, липиды самопроизвольно образуют самые разные структуры. Так, они могут образовывать плёнку, состоящую из множества молекул на поверхности воды, или окружить жировую капельку таким образом, что она как бы зависнет в объёме воды. Может случиться и наоборот-липиды окружат водяные капельки, образовав из них колонию в жире. Кроме того, липиды способны образовывать и более сложные структуры, состоящие из двойного слоя молекул, с обеих сторон окружённых водой. Это ничто иное, как структура мембраны, которая как и одиночный молекулярный слой, может образовывать капельки, представляющие собой рассмотренные выше пузырьки, окружённые мембраной. Такие двухслойные жировые мембраны обладают поразительным набором свойств, очень сравнимых со свойствами живой клетки. Эти двухслойные жировые мембраны способны ограничивать число молекул, проникающих внутрь пузырька, преобразуют солнечную энергию в электрическую и способны накапливать внутри своей структуры фосфатные молекулы. Мембраны живой клетки есть не что иное как усовершенствованный Природой вариант таких же первичных оболочек, рассмотренных выше пузырьков.

Когда же возникли первые протоклетки, предшественницы первых живых клеток? Крупный специалист в вопросах пребиотической эволюции протоклетки, учёный Гарольд Моровец предложил следующую гипотезу возникновения протоклетки.

Примерно 3,4 - 3,9 миллиардов лет тому назад, когда Планета ещё остывала, сформировались первые горные породы и океаны были ещё не столь многоводны, начался процесс образования химических элементов. На Земле, благодаря соединению углерода с уже сформированными химическими элементами, возникли новые химические элементы, необходимые для создания живой клетки. К таким соединениям относились и маслянистые вещества, называемые парафинами, молекулы которых представляют собой длинные углеводородные цепи. Взаимодействие парафинов с водой и растворёнными в ней различными минералами привело к образованию липидов. Последние, собираясь в капельки, образовывали тонкие одно и двухслойные плёнки. Под воздействием штормовых ветров и образовавшихся на поверхности океана волн, эти плёнки спонтанно замыкались в пузырьки, закладывая, таким образом, условия для создания протоклеток. Образование протоклеток и молекул, способных преобразовывать и поглощать солнечную энергию, открывало пути для усложнения этих структур. В этот период основные химические соединения образовавшихся пузырьков включали в себя углерод, водород и, вероятно, серу. В это же время в химические соединения протоклетки мог включиться и азот, скорее всего в виде аммония, что привело к резкому возрастанию сложности молекул. Ибо азот способствует реализации двух основных черт клеточной жизни-способности к катализации и хранению информации. Катализаторы ускоряют процесс протекания химических реакций, при этом, сами они не претерпевают изменений. Они также способствуют появлению химических реакций, которые без них не могли бы возникнуть. Реакции с помощью катализаторов-один из важнейших процессов химии живой клетки. В современных клетках они управляют ферментами, но на ранних стадиях образования клеток, этих сложных молекул ещё не существовало. Попадание азота в химические соединения протоклетки привело к образованию как раз таких примитивных катализаторов. А их появление привело к быстрому росту молекулярной сложности протоклетки, с одной стороны, а с другой-увеличение числа полезных случайных событий. Между оформившимися протоклетками возникла борьба за лучшие условия выживаемости, возникла полномасштабная дарвинская конкуренция за "место под солнцем”, что обеспечило некоторым из протоклеток их усложнение и, в конце концов, к образованию жизни внутри клеток.

Каким бы сложным ни был набор химических соединений внутри протоклетки, сами по себе они ещё не означали появления жизни. Некоторые учёные считают, что первая клетка жизни зародилась вблизи подводных вулканов и гейзеров-их более высокие температуры способствовали ускорению определённых биохимических реакций а, следовательно, к ускорению образования живой клетки. По мнению других учёных, ускорению образования живой клетки способствовало обилие серы вблизи горячих подводных источников. И в настоящее время, возле таких источников учёные находят бактерии, живущие без кислорода (анаэробные бактерии). Поскольку в те далёкие времена, когда жизнь на Земле только зарождалась, кислород в атмосфере Земли отсутствовал. Он появился значительно позже, когда на Земле быстрыми темпами стали размножаться сине-зелёные водоросли, использующие в своей деятельности принципы фотоситеза. Следовательно первые живые клетки были анаэробными-живущими без кислорода. Эти клетки, используя энергию Солнца, воду, углекислый газ и минеральные соли научились сами для себя производить необходимое питание. При этом, они, в качестве побочного продукта, в больших количествах выделяли кислород, насыщая им окружающую атмосферу. И в настоящее время растения очищают окружающую среду от углекислого газа, наполняя её кислородом.