В недавней статье в The New Yorker "Путешествие к центру наших клеток" почти ничего не говорится об эволюции и ничего не говорится о разумном замысле. Нет никаких доказательств того, что автор статьи или ученые, у которых он брал интервью, симпатизируют этой идее. Но она дает новое представление о сложности клетки - представление, которое невольно бросает вызов теориям полностью естественного химического происхождения жизни.
В статье объясняется, что биологи начинают "понимать странность зоны внутри клетки, большей, чем атомы, но меньшей, чем клетки, в которой существует "механизм жизни", и далее отмечается, что "именно белки управляют клеточным миром, вызывая химические реакции, посылая сигналы и самособираясь в биологические машины".
Проблема для биологов
Но существует проблема, над которой давно размышляют биологи - как белки находят другие белки в клетке, с которыми они должны взаимодействовать и объединяться, чтобы сформировать эти "биологические машины" или выполнить необходимые биохимические реакции?
В статье объясняется, что решением проблемы считалось случайное броуновское движение в клетках, когда молекулы, взвешенные в жидкой среде, совершают случайные движения в ограниченном пространстве и в конце концов находят своих собратьев. Вот как об этом говорится в статье:
В течение десятилетий биологи предполагали, что активность в цитоплазме по сути случайна; клеточный мир вращается с такой огромной скоростью, что нужные белки в конце концов столкнутся друг с другом.
Считалось, что броуновское движение гарантирует, что в течение разумного времени белки и другие биохимические молекулы найдут своих необходимых химических партнеров и, взаимодействуя или самособираясь, создадут необходимую структуру или путь. Но новые открытия изменили этот образ мышления.
Цитата из статьи:
Но оказалось, что некоторые молекулы в цитоплазме циркулируют не случайно. Они вращались таким образом, что объединяли связанные стороны. Допустим, в важной реакции участвуют пять белков из десяти тысяч; эти пять, как правило, держатся друг за друга, слабо притягиваясь. (Иногда у них были участки, которые оказывали взаимное притяжение и которые были пропущены на изображениях белков в кристаллизованном виде). Брэнгвинн и другие обнаружили, что в подходящих условиях группы белков могут "фазово разделяться", подобно пузырькам масла в салатной заправке, образуя структуры. На протяжении десятилетий исследователи знали, что сложные биохимические реакции, как правило, быстрее протекают в живых клетках, чем в пробирках. Теперь они знают, почему: условия внутри живой клетки, напоминающие лавовую лампу, позволяют химическим веществам использовать преимущества тонких притягательных сил более эффективно, чем это возможно в более свободной и однородной среде пробирки или блюда. Мы давно представляем себе искру жизни - но, возможно, именно физическая структура цитоплазмы является ключом.
Проблема "Шалтая-Болтая"
Физическая структура цитоплазмы - это, конечно, важный аспект клетки, который существует вне ДНК. Это форма начальных структурных условий, которые эффективно несут внегенетическую информацию, являющуюся ключом к клеточной организации и клеточной функции. Согласно статье в The New Yorker, это также ключ к пониманию загадки того, что биологи называют "проблемой Шалтая-Болтая".
Эта концепция была обобщена в книге "Дизайн жизни", где биолог Джонатан Уэллс и математик Уильям Дембски пишут о реальном эксперименте, проверяющем идею неуправляемой, случайной сборки клетки. Сначала живую клетку помещают в пробирку, наполненную соответствующими питательными веществами. Затем клетку прокалывают стерильной иглой так, чтобы ее содержимое вылилось в раствор.
Теперь в пробирке есть все необходимые для жизни материалы - не только аминокислоты, но и полностью собранные белки. Тем не менее, даже при наличии всех необходимых материалов клетка не может собрать себя заново. Как пишет Уэллс в учебнике, исследователи происхождения жизни "потерпели впечатляющий провал в попытке собрать Шалтая-Болтая снова".
В статье New Yorker также упоминаются неудачи в решении проблемы Шалтая-Болтая и объясняется, как отсутствие физической структуры цитоплазмы в "выскочившей клетке" помогает объяснить, почему исследователи никогда не могли собрать клетку в функционирующее целое, даже когда все необходимые "части" вроде бы присутствовали:
Это новое понимание начало открывать двери. В 2017 году Гласс помог основать консорциум Build-a-Cell - руководящий комитет для сотен лабораторий, которые пытаются построить работающую клетку с нуля. Исследователи консорциума начали объединять неживые части - белки, рибосомы, РНК и другие молекулярные конструкции - в мембраны, напоминающие клетки, надеясь, что смесь оживет, экспрессируя гены, выполняя метаболическую работу и в конечном итоге делясь.
Дрю Энди, профессор биоинженерии в Стэнфорде, один из основателей Glass, описал работу группы как попытку решить проблему Шалтая-Болтая: могут ли части сложиться в единое целое? Такие искусственные клетки могут быть использованы в качестве живых фабрик для производства биотоплива или лекарств, или в качестве гиперэффективных участков искусственного фотосинтеза. Но хотя нужные части уже есть, ни одна из них не пересекла границу от неживого к живому. Группа Энди экспериментировала с немного другими ингредиентами; если это не удалось, проблема может быть в том, как они физически расположены".
Другими словами, вы никогда не сможете просто создать клетку, имея нужные части. Вам также необходим цитоскелет правильной формы, который может расположить эти части таким образом, чтобы реакции и пути протекали так, чтобы клетка оставалась живой.
Эволюция на словах
В статье New Yorker говорится об эволюции: "В человеческом теле есть клетки мозга и клетки ногтей, клетки крови и клетки мышц, а также десятки видов одноклеточных бактерий. Каждая из них была сформирована в соответствии со своей нишей в течение эонов эволюции". Но эта идея не согласуется с выводами доклада о том, что для существования клетки необходимы не только ее части. Конечно, части нужны - они необходимы, но не достаточны для живой клетки. Кроме этих частей также необходима некоторая организация. Таким образом, в этой статье хорошо показано, что части также должны быть правильно организованы в физическую структуру, где "физическая структура цитоплазмы" гарантирует, что нужные молекулы найдут друг друга, чтобы способствовать клеточным реакциям, необходимым клетке.
Важность физической архитектуры для жизнеспособности любой клетки добавляет элемент непреодолимой сложности в клеточные операции и является основным препятствием для естественных, неуправляемых химических моделей происхождения жизни.
