По следам Создателя

В своём научпопе "Человечество. Что же произошло 12 000 лет назад" я попытался поднять вопрос о понимании нами проблемы, что же заставило нашего предка - древнего человека - забыть об охоте и ринуться строить города и точить каменными зубилами из камня гигантские каменные же мегалиты. Что-то получилось, что-то ещё пишу.

Сегодня же... Сегодня проснулся и выглянул в окно, а там соседка. Потягивается. В фантастически эпичном костюмчике самого лучшего дизайнера из райского сада. Плюс к костюмчику фиги у нас не растут. Плюс юность. Плюс...

Вот и пришлось срочно придумывать себе неразрешимые задачи, чтоб не выперли как Адама. Уже из своего Рая. Ну а с мыслями об Эдеме решил упорядочить и информацию о жизни. И Создателе.

Итак, в многообразии научных фактов и известных современной науке парадоксов попробую поискать вместе с вами следы Создателя.

На примере клетки. Живой. 

Итак.

Все известные нам биологические живые организмы состоят из водорода, углерода, азота и т.д.  В принципе всё это вроде бы укладывается в тервер и комбинаторику. Хотя и тут сразу возникает большой вопрос к темной материи, которой вообще дофига (её порядка 27%, а ещё 68% фиг знает какой темной энергии. На понятное нам вещество (т.н. барионное) приходится всего порядка 5% того, что мы знаем), а значит по логике и жизнь из темной материи (и тем паче темной энергии!) более вероятна. Чисто по цифрам количества - в 19 раз! 

Хотя может мы ее, эту небарионную жизнь, просто пока не видим? Да ладно, это как отступление...

Забьем на соседку. Которая теперь ещё и йогу устроила. Райскую. Как змея искусительница. Тянется во всяких своих немыслимых завоевательных позициях. Мы справимся и возьмём самое простое из жизни. Клетку.

Клетка на 99% состоит из четырех элементов-органогенов: кислорода, углерода, водорода и азота. Вселенная же почти целиком состоит из водорода и гелия, а остальные элементы (включая жизненно важные) составляют ничтожно малую долю космической массы. 

Ниже приведены 10 наиболее распространенных в биологической клетке элементов (по массовой доле), их процентное содержание в клетке и во Вселенной: 

1. Кислород (O)
   • В клетке: ~65,0%
   • Во Вселенной: ~1,0% 
2. Углерод (C)
   • В клетке: ~18,0 — 18,5%
   • Во Вселенной: ~0,5% 
3. Водород (H)
   • В клетке: ~9,5 — 10,0%
   • Во Вселенной: ~74,0 — 75,0% 
4. Азот (N)
   • В клетке: ~2,6 — 3,0%
   • Во Вселенной: ~0,1% 
5. Кальций (Ca)
   • В клетке: ~1,3 — 1,5%
   • Во Вселенной: ~0,006% 
6. Фосфор (P)
   • В клетке: ~0,6 — 1,0%
   • Во Вселенной: ~0,0007% 
7. Калий (K)
   • В клетке: ~0,2 — 0,25%
   • Во Вселенной: ~0,0003% 
8. Сера (S)
   • В клетке: ~0,2 — 0,3%
   • Во Вселенной: ~0,04% 
9. Натрий (Na)
   • В клетке: ~0,15 — 0,2%
   • Во Вселенной: ~0,002% 
10. Хлор (Cl)
    • В клетке: ~0,2%
    • Во Вселенной: ~0,0002

Короче, природа тут логично выбрала наиболее распространенные вещества. Процентные соотношения, конечно, странные. Особенно углерод - которого почти нет на каменных планетах типа Земля. Углерод или в атмосферу урыл. Или провалился к ядру. Наша земная жизнь умудрилась на основу себе вытянуть тончайшие остатки углеродной плёнки с поверхности планеты. Но, но всё же более-менее выбор природы обьясним.

Хотя, если пораскинуть мозгами, то нашей углеродной жизни имеется и куча потенциальных и более вероятных альтернатив. 

Во-первых, 99% обычной материи во вселенной - это плазма. В пылевой плазме (например, в хвостах комет или околозвездных дисках) заряженные пылинки могут самоорганизовываться в спиральные ДНК-подобные структуры, которые, как оказалось, тоже умеют "размножаться" и "эволюционировать". Это уже не раз наблюдалось в экспериментах на МКС! Много вопросов, много волос и бород в научных спорах выдрано. Но факт имеет место быть. Так что...

Во-вторых, газовые гиганты. Тут тоже две альтернативы. Металлический водород в ядрах этих гигантов. И жизнь тут вполне может оказаться электромагнитной. Как поля в металлизированных проводниках. Ну или в более классическом представлении: фосфор, водород и кремний. Как минимум, этих веществ в гигантах в процентном отношении поболе чем основы для биологической жизни на Земле. А значит и вероятности скрещивания меж собой основы и растворителя для появления не нашей жизни побольше...

В-третьих, это каменные планеты (от Меркурия и Земли до Урана и спутников типа Титана). Особенно холодные. Тут доминируют кремний, кислород и азот.

На тёплых - сера и фтор/хлор. 

Пытался четырьмя самыми крутыми LLM сделать оценку вероятностей появления таких альтернативных основ жизни в нашей вселенной - разброс зарождения на этих основах получился от 0.1% до 100 000%. Поэтому оставлю вам на собственное рассмотрение)

Короче, вопрос, почему такие элементы легли основой до сих пор дискуссионный. И как качели гоняет человеческую науку от полной уверенности, что "только так а не иначе, мы всё знаем и всё понимаем", до полного непонимания "а почему так".

Соседка взяла скакалку. А солнышко дарит жизнь. И проблемы сосредоточенности на умном - светит, зараза, как прожектор ей прямо в окно. Подсвечивает. Отвлекает. Поэтому мы... Вернёмся к простой клетке! Вспомним как она зародилась. 

Ну типа сначала появились простые соединения в протоокеане воды. Потом, хоп, шарахнула молния и у нас аминокислоты. До сюда всё понятно и повторимо. Потом...хлобысь и уже молекула РНК. Почти вирус. Который потом взял и себе оболочку отрастил. И внутриклеточные фабрики. По сложности соизмеримые с его РНК. И РНК спалил, превратил в ДНК. Появилась клетка. Которая двигается, фото или хемосинтезом всякую разлитую в пространстве энергию усваивает. Поглощает. Растёт. Делится.

А дальше мы попробуем ответить на очень простой вопрос: если жизнь возникла в результате естественных процессов, то насколько хорошо мы понимаем путь от набора химических веществ до живой клетки?

1. Загадка молекулярного алфавита

Жизнь на Земле использует удивительно маленький набор символов для записи наследственной информации.

Вся информация ДНК кодируется всего четырьмя нуклеотидами: аденином, тимином, гуанином и цитозином. В РНК вместо тимина с какого-то перепугу используется урацил. Может потому, что это тот же тимин, только недоделанный метильной группой, и поэтому более дешёвый "стройматериал" для временной РНК? Вот же ж экономисты-оптимизаторы...

Всего четыре буквы.

Из них построены бактерии, дубы, киты, люди и все остальные известные нам формы жизни. 

Для природы ген, это не аксиома. Это один из вариантов. Но почему-то только он доступен для Зкмли. В лабораториях ученые успешно создали организмы, которые используют расширенный генетический алфавит.

1) Синтетические формы жизни на расширенном наборе нуклеотидов

Ученые из Исследовательского института Скриппса создали полусинтетические штаммы бактерии Escherichia coli (кишечная палочка). Помимо стандартных оснований A, T, G и C, в их ДНК были введены два искусственно созданных нуклеотида (обозначаемые как X и Y). Эти бактерии успешно копировали свою ДНК и передавали расширенный генетический код следующим поколениям. 

2) Альтернативные нуклеиновые кислоты 

Исследователи синтезировали ксенонуклеиновые кислоты (XNA). У таких полимеров изменена не сама структура азотистых оснований нуклеотидов, а углеводно-фосфатный остов (вместо рибозы или дезоксирибозы используются другие сахара). Ученые смогли создать ферменты из XNA, способные катализировать реакции.

Но почему в жизни на Земле именно только эти четыре?

Химия допускает существование и других молекул, способных выполнять сходные функции. Мы за менее чем 100 лет развития генетики смогли пройти путь и от генерации новых букв нуклеотидов до попыток создания "письма" новой жизни на них. А миллиарды лет эволюции не породили принципиально иной генетический алфавит?

Почему жизнь на всей планете словно пишет одну и ту же книгу на одном и том же языке?

Случайность? Неизбежность? Или один из следов Создателя, который закинул первую клетку жизни на наш каменный шарик и запретил ей менять основания? Тогда возникает ещё один уже даже более важный вопрос - почему запретил!?

2. Восемьсот мегабайт, из которых получается человек

Современные оценки показывают, что информационная ёмкость человеческого генома составляет порядка 750–800 мегабайт.

Меньше, чем занимает современная компьютерная игра.

Но именно в этих сотнях мегабайт содержатся инструкции, которые позволяют одной-единственной клетке постепенно проходя различные этапы развития ппревратиться в организм, состоящий из десятков триллионов клеток.

Причём речь идёт не просто о копировании данных.

Из одной и той же генетической инструкции возникают нейроны мозга, клетки печени, мышцы, кожа, сетчатка глаза и сотни других специализированных структур.

Абсолютно различных структур! На одной информации...

Мы умеем хранить гораздо больше информации на жёстких дисках и серверах. Но пока не умеем создать программу, которая, имея объём данных меньше гигабайта, самостоятельно развернёт сложнейшую систему.

Соседка открыла окно и встала на голову. Я не смог. Упал. Поэтому плюнул на эту провокаторшу и пошел мучать клетку.

3. Наномотор, работающий в смоле

Хвост он важен. Очень! Без хвоста никуда. Соседка... Например, некоторые бактерии перемещаются с помощью хвоста. Жгутика. 

На первый взгляд это просто длинный белковый хвостик. Даже не вырост спермотозоида. Обычный простейший жесткий прокариот.

Но если рассмотреть его устройство подробнее, открывается удивительная картина наномира.Тут вам целый парадокс Бихи!

Бактериальный жгутик представляет собой настоящий молекулярный двигатель. 30 белков-элементов. В его составе имеются ротор, статор, вал, подшипниковые структуры и система переключения режимов работы.

Этот двигатель способен вращаться со скоростью до 60 тысяч оборотов в минуту. Против часовой - и клетка бактерии протаскивает себя вперёд. Против - и она начинает хаотично кувыркаться.

При этом жгутик прокариота работает не в воздухе и не в воде в привычном нам смысле.

Для бактерии окружающая жидкость наномира по своим физическим свойствам больше напоминает густую смолу. В мире микроскопических размеров действуют совершенно другие законы гидродинамики.

И всё же даже в этой по сути тверди жгутиковый двигатель позволяет клетке двигаться со скоростью, многократно превышающей её собственные размеры. За секунду она способна сместиться до 100 своих размеров!

Единственный в живой природе двигатель полного вращения (даже спермотозоит своим хвостом не крутит, а совершает плавные сокращающие волнообразные движения)!

Ну и ещё, силачи, попробуйте крутить веслом по 100 гребков за секунду в смоле. Или двигун современный заставьте винтом так в ней винт вращать. Сдохнут. И первый. И второй с третьим. А жгутик всех вертит!

Дополнительный вопрос возникает из-за его конструкции.

Для работы жгутика требуется множество различных белков. 30 как уже писал. Но если убрать любую элементарную часть компонентов, система просто перестаёт выполнять свою функцию. Перестанет работать. 

Короче, не упрощается эта зараза! 

И в эволюции более-менее работающих предшественников нет. Не найдено. Это как человек сегодня освоивший примитивное обожженое в костре копьё-палку, хоп, и на следующий день  сразу сваял танк. Армату. Работающий...

Копий об этот жгутик поломали...

Сторонники концепции неупрощаемой сложности видят в прокариоте серьёзную проблему для пошагового возникновения таких систем. Нет предыдущих шагов. И по частям усложняться он не мог. Он или появился сразу таким (что противоречит теории эволюции) какой он есть сейчас или был бы стёрт эволюционным развитием как нифига не работающий бесполезный девайс. 

Короче, вывод один - создан он.  Нет, сторонники эволюционной биологии не сдаются и предлагают сценарии постепенного формирования на основе более простых белковых комплексов. Ток они почему-то в клетке не работают.

Окончательного консенсуса по всем деталям происхождения жгутика нет до сих пор.

А сам факт существования столь сложного наномотора внутри бактерии тыкает нас моськой в факт - почему он единственный вращательный на 360°, почему других вращательный не появилось, почему выбран тут именно вращатель (или просто не хватало времени и влепили самое простое, но работающее)?

Короче, кто создал в клетке её уникальный и неделимый супермодный наномотор?

4. Робот-ремонтник по имени RAD51

Наши датацентры ДНК постоянно подвергаются бомбардировкам и поломкам: то химия токсинов, то радиация рвут нити ДНК. Иногда одну, иногда другую, а иногда и обе. 

Архив утерян, репликация невозможна, жизни хана?

Хрен вам! 

Без паники, в дело вступают молекулярные системы ремонта. Есть простейшие, которые просто находят и стягивают разорванные куски. Их много. Но они тупые. Клетка с такой "склеенной" дек не жизнеспособна. Сама погибнет.

Но есть и "умные". Очень умные!

Например, робот-ремонтник, фантастически уникальный белок RAD51. Который лезет по нити ДНК и склеивает из раскиданного внутриклеточным катаклизмом строительного мусора разрывы и повреждения. 

Причем не просто спаивает концы, а достраивает в том порядке как было повреждённые структуры. Полностью восстанавливает окончательно уничтоженные мегабайты генома. Это почти как если бы вы выстрелили в свой смартфон с кучей текстов, программ и фоток - уничтожили карту памяти, распылив её на атомы кремния, а тут бы вылез фиксик и всё собрал опять. За ночь. За 7-10 часов.

Белок! Не опганизм и не робот. Белок!

Он сам находит неповреждённые участки генетической информации в других местах и использует их в качестве шаблона для восстановления разрушенных фрагментов.

Сам. 

В клетке где нить ДНК плотно сжата. И расстояние между этими ДНК составляет от сотен нанометров до нескольких микрометров. А активная форма белка не превышает десятка нанометров. Воистину для белка космические расстояния!

Но он справляется.

Если провести грубую аналогию, это похоже на ситуацию, когда в огромной цифровой библиотеке оказались уничтожены страницы книги, а затем специальная программа нашла правильный текст и восстановила ошибок.

Причём всё это происходит внутри клетки постоянно и автоматически.

Соседка, так и не надумав сменить костюм Лилит, решила тянуть "кошечку". А я... Я, матеря, что сейчас не март, сел считать комбинаторику!

С точки зрения комбинаторики число возможных вариантов ("комбинаций") для появления белка RAD51 зависит от того, на каком уровне биологической матрицы мы ведем расчет: на уровне последовательности аминокислот (первичная структура белка) или на уровне кодирующей ДНК (генетический код).

Попробую и так, и так.

1. На уровне белка (аминокислотная комбинаторика)

В живой природе наши белки строятся из 20 стандартных аминокислот. На каждой из 339 позиций в цепи может стоять любая из них.

С точки зрения комбинаторики это задача на размещение с повторениями. Количество возможных комбинаций белка такой длины составляет:

20^339

Это колоссальное число: примерно 1.68х10^441  (единица с 441 нулем). Для сравнения, количество атомов во всей видимой Вселенной оценивается всего в 10^80. Это означает, что вероятность случайного возникновения именно такой последовательности из хаотичного набора аминокислот практически равна нулю.

2. На уровне ДНК/РНК (комбинаторика нуклеотидов)

Каждая аминокислота кодируется триплетом нуклеотидов (кодоном). Соответственно, кодирующая часть матрицы (мРНК) для белка из 339 аминокислот содержит  339х3 нуклеотидов (плюс 3 нуклеотида на стоп-кодон, итого 339х3+3=1020 нуклеотидов).Поскольку в РНК/ДНК у нас используется 4 типа нуклеотидов, число комбинаций для создания такой матрицы рассчитывается как:

4^1020

Это составляет примерно 2.4х10^614 вариантов генетического кода.

3. С учетом вырожденности генетического кода

Генетический код избыточен: одну и ту же аминокислоту могут кодировать разные триплеты (например, лейцин кодируется шестью разными кодонами, а метионин — только одним). Если нас интересует, сколькими способами ДНК может закодировать именно конкретную рабочую последовательность RAD51, нужно перемножить количество кодонов-синонимов для каждой из 339 аминокислот в его цепи. В среднем на одну аминокислоту приходится около 3 вариантов кодонов, что дает примерно 3^339  (или около 5.54х10^161 или всё равно больше чем комбинаций в нашей вселенной) вариантов последовательностей ДНК.

Запредельно много...

Вот подумаешь о таких вероятностях и возникает куча вопросов.

Как возникли столь сложные механизмы молекулярного ремонта ДНК? И как выживали первые клетки в суровых условиях древней Земли без них, если предположить, что RAD51 появился в результате эволюции клеток?

Или этот фантастический наноремонтник появился сразу с первой клеткой? Готовым, невероятно сложным и рабочим? Тогда КТО его создал?

Ну и для специалистов по информатике - какой супергений информацию по созданию и развертыванию такой фантастической по возможностям структуре смог упихать всего в 1017 байт информации в нити ДНК?

Кто этот Создатель?

5. Парадокс бессмертия и пола

Для одноклеточного организма самый простой способ размножения очевиден.

Нажраться. И разделиться пополам.

Создать копию самого себя.

Только оно, такое размножение, почему-то не доминанта. Доминанта половое размножение. Совсем как бы не очевидное.

Оно даёт так необходимый пинок к ускореной эволюции, к появлению разнообразия, а может даже и разума. Только тут есть два вопроса. Вопрос первый - изначально клетка клетке в протобульоне враг и еда (тут или-или не дано, тут или сожри или будь сожранной сама - кто больше сожрал, тот чаще и поделился на свои клоны!). 

Так что же заставило изначально двух врагов слиться в экстазе соития, смешать свои внутренние жидкости, можно сказать пойти обоим на сознательную смерть и раздробить на фрагменты собственные ДНК? Потом каким-то чудом из всего раздолбанного в хлам вещества ДНК пытаться собрать что-то новое да ещё такое чтоб хотя бы работало и было на первоначальном этапе более работоспособно чем родитель? 

А потом снова и снова искать в протобульоне таких же шизонутых, готовых рискнуть всем и пойти на соитие перемешивания в миксере вероятностей того, что работает? 

По мне так на первоначальном этапе эволюции очень спорное преимущество. Второе. Оказалось, что эпигенетика и генетическая рекомбинация позволяет клетке менять свое ДНК (осьминоги так всю жизнь с собой такое постоянно творят и не на уровне одной отдельно взятой клетки, а на уровне всего многоклеточного организма! И ничего - живут, приспосабливаются), улучшая свою текущую приспосабливаемость. И поэтому отпочкованная такой самостоятельно откорректировавшей свой ДНК клетки вчера детёныш может быть совсем не похожа на результат деления завтра. 

Плюс личное бессмертие. 

Почему?

Да, существуют научные объяснения: борьба с паразитами, ускорение адаптации, очистка генома от вредных мутаций.

Но сам факт остаётся любопытным.

Почему жизнь снова и снова выбирает более сложный путь вместо более простого и эффективного?

Кто сможет, объясните, зачем одноклеточной существу смерть и на ступень более сложное и чреватое половое деление? Что его так упорно толкает в лапы рискованного во всех смыслах слияния? Страсть к суициду, своя клеточная "адреналиновая" зависимость, или непонятная нами к пониманнию воля Создателя, миллионы лет назад зашитая в код ДНК да так и не вытравленная оптимизирующий эволюцией? 

Клеточный нанозавод я ремонтировать буду. А вот совершенствовать нет. Взорву два соседних. И из их обломков построю (может быть) что-то лучшее! Или поломаю всё нахрен и выкину как неудачный эксперимент!

Но работает же...

6. Что появилось раньше: инструкция ДНК или фабрика рибосом?

Внутри каждой клетки работают рибосомы — молекулярные фабрики по производству белков.

Именно они читают генетический код и превращают его в реальные молекулярные конструкции.

Но здесь возникает почти философский парадокс.

Для создания рибосомы необходимы инструкции, записанные в ДНК.

Однако для чтения этих инструкций уже требуется работающая рибосома.

Получается своеобразный замкнутый круг.

Что появилось раньше?

Инструкция ДНК?

Или механизм её чтения?

Этот вопрос напрямую связан с одной из крупнейших научных загадок — происхождением первых самовоспроизводящихся систем.

Или всё же была первая, закинутая на землю Создателем?

Провокаторша из дома напротив наконец-то закончила свою выносящую мозг гимнастику. Думал вздохну. Как же!!! Она маслом себя умаслять стала...

А я... Я крепость строить! В мыслях. И в клетках.

7. Клетка как укреплённый город

Живая клетка должна одновременно решать множество задач.

Она вынуждеа поддерживать собственные границы. Отделять внутренний порядок от внешнего хаоса.

Но и получать питательные вещества.

Избавляться от отходов.

Поддерживать химический баланс.

Защищаться от внешних воздействий среды и врагов.

Для этого ею используются сложнейшие мембраны, белковые каналы, насосы и транспортные системы.

Каждая из них выполняет строго определённую функцию.

Клетка больше напоминает хорошо организованный город, чем бесформенную каплю химических веществ.

И чем подробнее изучаются эти механизмы, тем сильнее поражает уровень их согласованности. Исключи хоть одну из этих систем и крепость-клетка падёт. Или умрет с голода, или задохнётся в собственных отходах.

А она, зараза, живёт!

И сотни систем в общем-то антагонистов работают как идеально отстроенные  часы уже 4 миллиарда лет.

Кто взял это множество систем, впихнул их в контур защитной клеточной мембраны и научил работать? Кто одним рывком преодолел барьер неупрощаемой сложности систем? 

Наука добилась огромных успехов в изучении жизни. Человечество идёт по следам. Распутывает загадки. Да, мы уже даже пытаемся создать собственную искусственную клетку.

Ученые представили предварительные результаты исследований о создании синтетической клетки SpudCell, способной к росту, репликации и естественному отбору в течение пяти поколений. 
Да, клетка SpudCell не умеет синтезировать новые рибосомы и многие мелкие молекулы.
Исследователи придумали ей систему "поддержания жизни" с помощью "кормящих" пузырьков (фидерных липосом) – это дополнительные везикулы, которые содержат ферменты, аминокислоты, рибосомы, липиды и другие "расходники".
Да, клетка ещё крайне зависима от внешней поддержки и даёт лишь несколько поколений, однако открывает путь к исследованию эволюционных процессов в искусственных системах.
Учёные использовали два способа деления синтетических клеток:
Механический — продавили через узкие отверстия (как выдавить каплю через сито). Так просто и эффективно, но вот беда - неестественно.
Генетический — ими создан белок-замок, который собирается в скопления на мембране и меняет её форму так, что клетка самостоятельно перетягивается и делится на две дочерние. Это происходит без цитоскелета (внутреннего каркаса, как у настоящих клеток), только за счёт физики мембраны.
Цикл повторяли: 12 часов кормления - деление - добавление свежих "кормящих" пузырьков - снова деление. Всего получили 5 поколений. В результате только 30% клеток имеют полный набор из всех 7 плазмид. Остальные что-то теряют. 

Да, система открыта для эволюционной оптимизации, а вопрос стабильного наследования генома остаётся открытым для следующих решений.  

Это только начало пути 

Короче, я что смог - написал. Вы думайте! Предлагайте ваши мысли, видение, варианты...

Может будут и другие следы. А может это и не следы, которые в спешке не получилось убрать. Может это явные, специально оставленные тем кто пойдет следом подсказки. Иди костыли.

А я... А мне... 

Короче, соседка выставила на подоконник два бокала, бутылку вина и табличку, начерканую раздраженно красным: "Да сколько можно ждать? Дверь давно открыта!"...