2014-05-10

Що таке життя?

5 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 5.00 (2 голосів)

Що таке життя

Створення наукових передумов, потім технічних рішень, нарешті розвиток нового напрямку людської цивілізації — практичної діяльності по проникненню в космос, початкове освоєння ближнього космосу і підготовка до освоєння "середнього" космосу, перевело чисто філософськи-пізнавальне питання про "життя на інший світах" у зовсім незвичайну площину — проблему глобальної безпеки.

Життя на Землі з'явилося ? 4 млрд. років тому. За цей час усе живе (принаймні відоме науці) дивним чином уніфікувалося і взаємопристосовувалось. І вже незначні відхилення від такого взаємопристосування приведуть до катастрофічних наслідків, здатних поставити вид (популяцію) на грань зникнення. Для людини, як приклад, це зміни клімату, які зумовлюють посухи або обледеніння, це віспа і чума в середньовічній Європі, кір на ізольованих островах, занесений мореплавцями і т.д. При польотах з поверненням (як пілотованих, так і безпілотних) на інші планети занесення відтіля на Землю місцевих організмів (якщо вони там будуть), при сучасних технологіях "космічного карантину" і при абсолютному незнанні чужого життя, практично неминуче. І тоді почнеться навіть не "війна світів", а значно гірше: конфлікт різних форм життя "війна життів" — абсолютно безкомпромісна "боротьба за існування". Оскільки "світи", "неземні життя" ніколи між собою не стикалися, то ніякої збалансованості, як це є в біосфері, яка формувалася мільярди років, бути не може. І збираючись до інших планет ми повинні знати про існування там того, що ми розуміємо під так до кінця і не ідентифікованим терміном — "життя".

Складність тут полягає в тім, що ми знаємо тільки один зразок життя — земний, і то лише на рівні далеко не всіх хоч якось вивчених (а не тільки описаних за зовнішнім виглядом) представників. І загальним уявленням — що таке життя як явище — є якась калька з цього єдиного зразка: здатність до "розмноження", "обмін речовин" (у чисто земному його варіанті), якась морфологічна подібність зі звичними нам формами земних організмів — макро- і мікро-.

Іноді згадують ще енергетику в плані законів термодинаміки. Що ж стосується матеріальної основи, то, крім дуже рідкісних фраз про абстрактну екзотику, нічого, крім білково-нуклеїнового вмісту будь-якого життя, узагалі навіть не обговорюють. І це все. Узагалі ж, такий підхід має теж підстави — він порушує питання про можливості ідентифікації поза Землею хоча б нам добре відомого — аналогів вивчених представників зовсім реальної земної форми життя. А все інше — невідоме.

Тут варто знову повернутися до єдиного доступного для вивчення варіанту життя — Земного. При всій його майже вичерпній вивченості аналіз наявного експериментального матеріалу показує, що все, м'яко говорячи, не зовсім так. І перше, на що варто звернути особливу увагу, — це крайня нерівномірність вивченості живого світу. Лінія поділу такої нерівномірності проходить найбільш яскраво по границі розмірів організмів. Вона лежить у районі 0,1 мм. Об'єкти крупніші за це значення вивчені краще. А ті, котрі дрібніші, — у діапазоні від "значно гірше" до "не вивчені взагалі ніяк". Об'єкти дрібніші за 0,1 мм зазвичай об’єднують загальним терміном "мікроорганізми". Але тут вивченість ще більш нерівномірна. Мікроскопічні еукаріоти (водорості, гриби, найпростіші) ще хоч якось ідентифіковані і описані. А прокаріоти унаслідок вкрай важкої доступності для вивчення (за рідкісним винятком, вони не ростуть на живильних середовищах, в основній масі вкрай бідні морфологічними ознаками, розташовані густо-прикріпленими на непрозорому, твердому природному субстраті або усередині нього і т.д.) ідентифіковані усього на 0,1-0,01% від їхнього загального числа в природі.

Друге, на що варто звернути увагу як особливість відомого (тобто хоч якось вивченого) живого світу планети Земля — це майже абсолютна універсальність на рівні первинних (молекулярних) складів, подій і процесів. Спадкоємна інформація всього живого (відомого) представлена у виді записів послідовністю чотирьох основ нуклеїнових кислот (чотирибуквений алфавіт). Білки є молекулярним інструментарієм, який забезпечує (прямо або побічно) усі процеси: функціональні і основні структурні. Всі білки синтезуються (фактично набираються) з 20 (в останні 15 років показано, що з 22) різних (але однакових у всього живого на момент синтезу) амінокислот. Білок-синтезуючою машиною є рибосома (і тільки рибосома). Перенос інформації з ДНК на рибосому забезпечує інформаційна РНК. "Робочі інструменти" (активні центри) усіх ферментів, які перетворюють однакові продукти, функціонально ідентичні. Енергетика побудована на однотипних енергоємних молекулах — макроергах (найчастіше з них зустрічається АТФ — аденозинтрифосфат). У результаті відбувається неймовірне — усе живе в біосфері на молекулярному рівні взаємоконвертоване. І при реально здійснюваних штучних сполученнях генетичного матеріалу різних організмів (за технологією рекомбінантних молекул або клітинних об'єднань), переносу окремих ферментів, клітинних органел і т.д., принаймні на рівні клітин можливі будь-які сполучення, що якийсь час цілком життєздатні (наприклад, злиття воєдино клітини людини і тютюну). Але з цієї технологічної буденності випливає якийсь дуже незвичайний наслідок — усі наші методи дослідження теж уніфіковані для вивчення саме такої, взаємоконвертованої, уніфікованої біосфери. А все інше, що не визначається такими уніфікованими методами, залишається фактично невидимим, невідомим і невивченим, принаймні для прокаріот на 99,99%!

Невідома планета Земля

Скажемо про невідому планету Земля. Звичайно, всерйоз до такого висловлювання відноситися не можна. Але і несерйозно теж не можна. Адже при такому степені невідомості біомікросвіту неможливо виключити існування якогось паралельного іншого життя, яке не взаємодіє з білково-нуклеїновим. Звучить подібне припущення, звичайно, дивно. Але 99,99% невивченого мікросвіту — факт абсолютно достовірний. Якщо ж оцінювати все це кількісно, то величини виявляються просто дивовижними. При будь-яких руйнівних методах похідна оцінка "загальної кількості" мікроорганізмів у природних субстратах не тільки не повна, а взагалі невизначено-неповна. Це зв'язано з тим, що невідомо, який відсоток від "усього" мікронаселення, яке є в субстраті, не вдалося змити, і який відсоток від змитого залишився морфологічно цілим (а який зруйнувався і з обліку випав). Тому щира, реальна, загальна кількість клітин — "одиниць" мікроценозу — завжди залишається невідомою. Спробуємо провести оцінку "тотальну" не за підрахунком утворень "схожих" на клітини бактерій, що роблять при "прямому обліку". Таку "тотальну" оцінку можна зробити, прийнявши ряд припущень, виходячи з загального вмісту екстрагованої із субстрату ДНК. У різних публікаціях вказують різні цифри екстрагованої ДНК. Але при максимально руйнівній технології (шляхом "тотального" виділення) одержували в середньому ? 10 мг ДНК із 100 м ґрунту. Основна частина її належить мікрофлорі. Приймемо розмір "середнього" геному усередненої бактерії в 1 млн. пар нуклеотидів. З урахуванням того, що велика частина бактерій при прямому обліку "загальної кількості" представлена дрібними формами, а існування в ґрунті достатності і доступності живильних речовин не має нічого спільного із лабораторними багатими живильними середовищами, полігеномні об'єкти будуть виключенням. Притакому припущенні 1 млн. пар основ буде еквівалента 1 клітині. Це — 6,6x108 дальтон за мол. масою. 10 мг ДНК, при такому припущенні, буде відповідати ? 1013 бактерій. Основна їхня маса сконцентрована в шарі ґрунту ? 30 - 35 см. І тоді в ґрунті на площі в 1 км2 буде ? 1023 бактерій. Але ж при екстракції ґрунту виділяється далеко не вся ДНК.

А та, котра виділяється, частково деградує на моно і олігонуклеотиди, які відходять при очищенні і ніяк не враховуються. Допустимо, що за рахунок того, що в ґрунті є ДНК не тільки бактерій, ця величина на порядок нижча. Але і тоді це відповідає 1022 бактеріям. Відповідно до існуючих оцінок, на Землі описано 1,4 млн. видів еукаріот, загальна кількість яких (індивідуальних організмів, "штук", особин складає одномоментно 1022. На всій планеті! А прокаріот тільки на одному квадратному кілометрі 1022! І 99,9% їх не відомі, не вивчені, не визначені, не описані і т.д.!!!

У свій час була знайдена така перша універсалізація. У її основу було закладене уявлення про те, що незалежно від того, яке б не було життя, у процесі його реалізації обов'язково повинна витрачатися енергія. А перетворення однієї форми енергії в іншу неминуче супроводжується виділенням тепла.Але визначити таким способом можна було б тільки прояв життя. Життя ж як явище в неактивному стані, аналог земного анабіозу, термодинамічно себе виявляти не може і залишалося б невидимим для калориметрів будь-якої чутливості.

Зараз знову, але вже на іншій базі, проробляють марсіанські експедиції. І не тільки марсіанських. З врахуванням попереднього досвіду розроблений інший критерій визначення життя, ні основа, ні природа якої не відома. У його основу покладений принцип "відтвореної визначеності". Цей критерій у загальній формі може бути названий "структурним". Він оснований на тому, що яке б життя не було, воно повинне мати якусь просторово-тимчасову організацію.

У пошуках нового життя

Така загальна ідея. Тепер з приводу можливостей її практичного здійснення. Будь-яке життя проходить «в чомусь», в якомусь субстраті. Найбільш очевидним в контексті марсіанської експедиції це буде ґрунт — поверхневі пухкі породи планети. Розроблено систему ідентифікації мікроархітектури живих скупчень, взявши за основу земні субстрати. Великі організми, яких видно "неозброєним оком", можна ідентифікувати торкнувшись, відрізавши шматочок і т.д. Мікроскупчення видно тільки під мікроскопом. А частки субстратів, у яких такі мікроскупченння існують, непрозорі, складної неправильної форми, пористі. Для того щоб "дістати" з них життя мікроскопічних розмірів, доводиться все це руйнувати. І зрозуміти "що є що" можна, тільки якщо заздалегідь знаєш, що конкретно шукаєш. Та й то далеко не завжди. Для того, щоб уникнути всього цього, використовують зручні для вивчення технічні пристрої, які "просторово сполучаються" із субстратом. Ними можуть бути найпростіші пристосування — тонкі нитки, і т.д., що можуть мати різну форму, різний розмір, різний склад і бути біологічно нейтральними (для земного життя) або субстратно-аналогічними (для неземної). Вони поміщаються в субстрат і, завдяки своїм невеликим поперечним розмірам, приймають просторову структуру субстрату, облягаючи його нерівності, стаючи його складовою.

Через якийсь час на таких пристроях починається формування архітектури мікроценозу. І беручи в динаміку (через різний час) із субстрату такі пристрої з мікроархітектурою ценозів, яка знаходиться на них, їх можна як завгодно вивчати — фіксувати (ковалентними зшивками, які одночасно зміцнюють архітектуру і вбивають будь-яку форму життя, роблячи всі її складові просторово нерухомими), фарбувати, вивчати в електронному мікроскопі, аналізувати склад і т.д.

У результаті навіть для наших земних, вивчених уздовж і поперек, звичайних субстратів (наприклад, ґрунту) відкривається новий світ.

Якщо проаналізувати це з позиції пошуку неземного життя, то "неживе" буде мати або вид якихось "уламків" мінералів або кристалів. Слід зазначити, що при цілісних технологіях і "уламки", і кристали або переадсорбовувались із субстрату в тому вигляді, у якому вони там були (тобто не є наслідком механічних, руйнівних впливів при підготовці препарату), або цілком утворювалися в "квазісубстраті" у процесі експозиції і стали доступні для спостереження (а якби знадобилося — для подальшого вивчення) у незруйнованому вигляді. Це корисно і для вивчення "неживого" у природних субстратах як на Землі, так і, тим більше, на інших планетах. А от живе воно чи не живе, можна буде зрозуміти, простеживши все в динаміці, а потім — точно проаналізувати на предмет складу.

Живе, у його звичному і морфологічно "очевидному" виді, добре видно як при оптичній мікроскопії, так і при електронно-скануючій і трансмасійній.

Але живе може виглядати і досить незвичайно. Іноді особливо незвичайне (але немає жодних сумнівів у тому, що воно "живе") називають "рідкісними формами". При наближенні до своєї просторової межі — 0,2 мкм, такі форми називають "нанобактеріями". Але цілісна, описана вище, технологія дозволяє візуалізувати і зробити доступною для подальшого вивчення форми, які хоча і "наші" білково-нуклеїнові, але дуже вже незвичайні. Нарешті, виявляється і таке, для якого визначення доводиться давати дуже обережно — "скоріше живе" у традиційному розумінні, тобто білково-нуклеїнове, ніж "щось інше". Таке незвичайне можна виявляти тільки у своїй архітектурі ценозу. Інакше воно зруйнується, деградує, деформується, розповзеться і т.д. А вже у випадку пошуків неземного життя на інших планетах щось зрозуміти поза непорушеною архітектурою досліджуваного взагалі навряд чи можливо.

Маючи цілісний метод, який відкриває доступ до непорушних просторово організованих утворень, і знаючи, що мають на увазі, коли визначають за зовнішнім виглядом (тобто тільки "на око", з оцінкою "схоже на живе — несхоже") "рідкісні", "незвичайні", "дивні" та ін. форми, які ідентифікуються (за цим же "загальним виглядом") як білково-нуклеотидні живі об'єкти, можна сформулювати вимоги пошуку і того, що до білково-нуклеїнового життя навіть за зовнішнім виглядом уже віднести не можна, хоча воно, таке "що", має універсальні ознаки живого. Насамперед це однорідні, розташовані так, що можна чекати їхнього походження за рахунок мультиплікації, об'єкти починаючи з 0,1 мкм і менше. Але це — при прямій екстраполяції "нашого" живого на будь-яке інше "не наше". В той же час, якщо прийняти імовірність існування "неводної форми" життя, обмін з навколишнім середовищем якого здійснюється контактно і через газову фазу, то можуть бути й інші варіанти зовнішньої ідентифікації "підозрілих об'єктів".

Якщо проаналізувати наше земне життя з рівня його пізнання "до сьогодні", то неважко побачити, що всі процеси в клітині в остаточному підсумку сходяться на головному сховищі інформації — геномі. З ньоого йдуть усі ланцюжки процесів, і на ньому, на його обслуговуванні закінчується той цикл, що забезпечує і схоронність геному, і його мультиплікацію шляхом переписування інформації. А життєвий прояв — це ті процеси, які у діапазоні зовнішніх умов, що дозволяють їм здійснюватися, забезпечують обслуговування інформації, її мультиплікацію і взаємодію з оточенням для реалізації всього цього. Але інформація може бути записана і більш компактно, ніж у вигляді послідовностей основ ДНК. Тоді вона займе менше місця. У цьому випадку можна  сказати, що кардинально іншою буде і система її обслуговування. Щось подібне, тільки в обмеженому вигляді, здійснює і найпростіше організоване білково-нуклеїнове життя, мікоплазми, наприклад. Їхній геном настільки малий, що не може забезпечити інформацію про все необхідне, навіть на рівні багатьох, абсолютно необхідних, складних молекул — ряду білків, полісахаридів, ліпідів і т.д. Так, наприклад, відбувається в клітині мікоплазми Nanoarchaeum equitans із найменшим відомим сьогодні геномом (всього 490 тис. пар основ), яка не в змозі забезпечити інформацію на багато які біосинтетичні і метаболічні цикли. Вони, ті продукти, інформація на синтез яких відсутня у геномі, задходять ззовні вже готові (з макроорганізму — для патогенних мікоплазм; з мікроценозу — для сапрофітних). Усе це може бути представлене в абсолютно іншій структурно-функціональній організації і реалізації, ніж у клітині — одиниці земного життя. Відтворення собі подібного може бути контактним і "газообмінним". У такому випадку масоперенесення буде йти не через рідку воду, а через газоподібний стан.

Тоді і мембрана виявиться не тільки непотрібною, але й взагалі заважатиме, а організація в просторі виявиться зовсім інша. Критерієм "підозрілості" стане якась загальна подоба, подібність, якась форма одноманітності, розташування якихось однотипних утворень. А їхні розміри можуть складати величину і менше ніж 0,2 мкм. Та й з приводу форми не можна буде все зводити до білково-нуклеїнових аналогів. Це можуть бути і подоби кристалів (за зовнішнім виглядом, наприклад). Тому ще раз повторимо — як не дивно таке звучить, але такі системи (якщо, звичайно, вони реально існують) у виді альтернативних (і не взаємодіючих з білково-нуклеїновим життям) можуть існувати і на Землі, особливо якщо темпи їхньої мультиплікації повільні. Їх ніколи не шукали, ніколи їхнє існування не припускали, ніколи навіть таку можливість не обговорювали. Цілком імовірно, що нічого іншого, крім уніфікованої біосфери, на Землі і не існує. Але, з іншого боку, кращий спосіб не знайти — це не шукати. Поки тільки цей найкращий спосіб "не знайти" і реалізовується. Технології пошуку неземного життя на інших планетах спочатку випробовують і перевіряють на Землі. Те ж саме треба зробити і з цілісним методом вивчення мікроценозів. Тим більше, що сам метод простий, доступний, а пристрої для всього комплексу першого рівня досліджень (закладка, забір, транспортне упакування і т.д.) невеликі. За своєю масою такі пристрої важать навіть у наборі — менше 1 г. За габаритами — це складе усього кілька кубічних сантиметрів вже в упаковці. Конструкція для бортового транспортування і фіксації після виїмки із субстрату складе приблизно 100 — 200 г. Робота з такою системою —це не більш ніж додаткова програма для бортового робота, який у будь-якому випадку буде присутній на посадковому модулі для забезпечення виконання багатьох фізичних, хімічних і інших аналізів. Тобто практично все це абсолютно реально здійсненно і може бути цілком перевірене випробуване на Землі. І, що особливо важливо, має "подвійне застосування", тому що дасть нові знання про наше земне життя, тому що стануть доступними для вивчення ті 99,99% компонентів мікроценозів, які досі недоступні і невивчені.

 

Коментарі:

blog comments powered by Disqus