В прошлой статье мы познакомились с таким удивительным, широко распространённым элементом жизни, как роторный электрический двигатель бактерий, изучение которого, в некотором смысле, может даже перевернуть мышление и заставить по-новому взглянуть на объекты материального мира.

Как мы могли убедиться, несмотря на предположительные 3,5 млрд лет, с момента появления этого двигателя, несмотря на весь научно-технический прогресс, человечество до сих пор не в состоянии производить даже приблизительно похожие механизмы.

Насколько известно, все живые тела состоят из клеток и мне стало интересно, что же это такое…Изучим обзорно основные моменты и посмотрим, насколько проблемно создать искусственно хотя бы такое — минимальный живой кирпичик (раз нам пока рановато пытаться создавать полноценный наноразмерный двигатель).

Тем более, что в последние годы, вроде как, достаточно много приходит свидетельств с разных сторон, которые (с обывательской точки зрения) позволяют надеяться на успех этого мероприятия: клонирование, расшифровка генома, 3D печать деталей организма и т.д.

Но, для начала, давайте определимся, что же такое клетка — под ней в науке поднимается единая «деталь» строения всех живых организмов, представляющая собой минимальный «первокирпичик» жизни, в свою очередь, состоящий внутри из множества компонентов.

Клетка (чтобы называться таковой) должна иметь возможность самостоятельно жить, осуществляя обмен веществ, размножаться, и адаптироваться к условиям окружающей среды.

Все живые организмы состоят из клеток, где некоторые — из множества, а некоторые — из одной единственной (одноклеточные организмы) и всё многообразие организмов можно разделить на две большие группы:

• Прокариоты: доядерные формы, появились раньше, имеют более простое устройство. Ниже показано типичное строение прокариота.

_{MaGIc2laNTern}

К ним относятся одноклеточные живые организмы, у которых более простое устройство заключается в том, что отсутствуют внутренние мембранные органеллы*, а сами они не развиваются в многоклеточные виды.

*Под «органеллами» понимаются специфические структуры внутри клетки, которые выполняет определённые функции, наподобие того, как это делают органы в нашем организме — термин был предложен ещё в конце XIX века, как раз имея в виду эту аналогию: «если наше тело состоит из органов, то органами клетки являются „маленькие органы“, — то есть „органеллы“.

Тем не менее, несмотря на относительную простоту, этот вид живых клеток достаточно распространён: к примеру, более 90% морских организмов представлено прокариотами.

Стоит ещё отметить и крайнее разнообразие их видов — несмотря на многолетние научные исследования, мы на данный момент знаем, предположительно, только менее 1% от всего числа существующих видов.

• Эукариоты: появились позднее, сложнее устроены, имеют ядро — это клетки современных многоклеточных организмов (животные, растения и т.д.).

_{MesserWoland, Цуканов Кирилл}

Размер клетки среднего прокариота весьма мал, и находится в пределах 1-5 мкм, тогда как у среднего эукариота он находится в пределах 10-100 мкм.

Выше мы употребили слово „кирпичик“ — но оно не должно вводить в заблуждение: это только в макромире можно из одного и того же типа кирпича построить и консерваторию, и сарай:-))) — описанное выше деление на две большие группы — высокоуровневое, где внутри каждой группы, клетки делятся ещё на множество специализированных видов.

Например, у эукариот, клетки могут радикально различаться по своему устройству и выполняемым функциям, например: нейроны (передача нервных импульсов), эритроциты (перенос кислорода) и т.д.

Тем не менее, не забываем, что, несмотря на все различия видов клеток внутри конкретной группы, эти клетки будут содержать как постоянные для всех элементы, так и изменяющиеся.

К примеру, если мы возьмём эукариотов, то у них будет постоянным элементом, как нетрудно догадаться, наличие ядра, а также ряда органелл (митохондрии, аппарат Гольджи и т.д.); в то время, как, в зависимости от типа клетки, будет изменяться, например, клеточная стенка, где у животных она будет отсутствовать (есть только клеточная мембрана, так как клеточная стенка служит для удержания формы, а у животных есть и другие способы для этого; кроме того, подобное строение ускоряет обмен веществ, что важно для подвижности животных), в то время как у растений она есть, служит для удержания формы и будет представлять собой целлюлозу.

Подобная картина наблюдается и у прокариотов: в качестве общей характеристики для них можно назвать отсутствие ядра и органелл, а клеточная стенка будет изменяться в зависимости от типа; также будет меняться и материал строения жгутика, и способ метаболизма — фотосинтез, или химические реакции и т.д.

Если кому интересно, то есть любопытный ресурс Атлас Клеток Человека — если кто-то захочет погрузиться в разнообразие клеток человеческого тела глубже…

Но, несмотря на специализацию клеток, здесь, как и в любом правиле, есть и свои исключения: например, в человеческом организме содержится некоторое количество так называемых „стволовых клеток“, которые могут превращаться в любые иные клетки тела.

Стволовые клетки имеются как на первых этапах жизни зародыша, так и во взрослом возрасте, они содержатся во всём организме.

Например, в костном мозге имеются стволовые клетки служащие для генерации эритроцитов, лейкоцитов, тромбоцитов, в то время как жировая ткань содержит мезенхимальные стволовые клетки, из которых получаются клетки соединительной ткани, костей, мышц.

Таким образом, во взрослом организме эти клетки служат для обновления тканей, ремонта повреждений.

Точно так же и прокариоты делятся на множество видов: занимающиеся фотосинтезом, разлагающие органику, связывающие азот и т.д.

Как мы уже выше упомянули, клетка состоит из множества компонентов, каждый из которых предназначен для определенной цели — накопления веществ, их переработки, обеспечения клетки необходимой энергией, удержания формы, хранения и передачи генетического материала и т.д.

Подробное описание всех этих компонентов заняло бы существенное место и время, поэтому, предлагаю поступить проще — желающие более подробно ознакомиться с этими компонентами, могут пройти вот по этой ссылке, где есть подробное описание каждого компонента, в то время как по другой ссылке, есть хорошие картинки, иллюстрирующие эти компоненты. Также неплохая иллюстрация есть и вот здесь.

Вдобавок к прочитанному, есть довольно неплохое обзорное видео по устройству клетки (наблюдаются какие то проблемы со вставкой видео на хабр, поэтому так).

Можно сделать предположение (и оно будет верным), что все эти компоненты функционируют не разрозненно, отдельно друг от друга, а синхронизированно, наподобие своеобразной сложнейшей мини фабрики: сначала полезные вещества проникают через клеточную мембрану, и/или, крупные частицы поглощаются с помощью фагоцитоза или пиноцитоза (вот тут, в самом низу страницы он показан), далее, осуществляется метаболизм (клеточный обмен веществ), синтезирование белков, и выведение продуктов из клетки (белки, гормоны, отходы).

Есть некоторое количество теорий о том, как одноклеточные эволюционировали до многоклеточных, и одна из них (это не единственное возможное объяснение, есть ещё ряд) объясняет это тем, как древняя архея, поглотила бактерию, которая превратилась в митохондрию — источник энергии клетки, что позволило клетке получать в 15-20% больше энергии и открыло клетке прямую дорогу к усложнению и новым возможностям.

В ходе этого усложнения был ещё целый ряд этапов, однако, без этого, у клетки было бы недостаточно энергии, и именно митохондрия смогла обеспечить переработку кислорода, извлекая из этого процесса пользу — за счёт окисления органических веществ кислородом и генерируя адонизинтрифосфорную кислоту (АТФ) — источник энергии клетки.

Кроме перечисленных выше двух больших групп, говоря о формах жизни (хотя, насколько описанное ниже относится к понятию „жизни“, является дискуссионным среди учёных), нельзя не упомянуть и такую интересную форму, которую называют „бесклеточной“ — это вирусы.

Всего известно порядка 6000 вирусов, однако, предположительно, их число гораздо больше и составляет сотни миллионов!

Бесклеточной формой их называют, потому что они не имеют клеточного строения, не способны к метаболизму, применяют клетки хозяина для размножения, а также не размножаются делением, а вместо этого собираются из готовых компонентов внутри клетки.

Перечисленное представляет собой список ключевых отличий вирусов от клеток, даже от простейших прокариот, так как, несмотря на свою простоту, прокариоты всё же являются клетками.

Вирус устроен достаточно просто, и если не вдаваться в детали, то, то он состоит всего лишь из ДНК или РНК и оболочки (это условно, так как там есть ещё и дополнительные структуры).

С точки зрения происхождения, наука выделяет три теории их появления:

• они появились за счёт упрощения бактерий или архей;
• появились одновременно с первыми клетками и развивались параллельно;
• представляют собой автономные фрагменты ДНК, попавшие в окружающую среду, и как-то уцелевшие, и выжившие.

Считается, что появились они приблизительно 3-4 млрд лет назад, и, как уже было сказано, с точки зрения науки, являются они живыми или нет, вопрос спорный — с одной стороны, они имеют геном, и эволюционируют, а с другой, отсутствует метаболизм и зависят от хозяина.

Поэтому, некоторые склоняются к компромиссному варианту, что вирусы представляют собой своеобразных паразитов, находящихся на границе между „жизнью и не жизнью“.

И, раз уж мы затронули тему „жизни“, то можно сказать, что срок жизни вируса находится в пределах от нескольких минут до лет, и зависит от благоприятности среды (рН фактор, наличие/отсутствие ультрафиолета и т.д.).

Скорость жизни одноклеточных (прокариот) также зависит от условий окружающей среды, и, если судить по известным данным, то может колебаться от десятков минут до тысяч и даже миллионов лет (миллионы лет — это в замороженном виде).

В свою очередь, известные примеры срока жизни многоклеточных (эукариоты) показывают время в часы и даже более ста лет (нейроны, как пример).

И вот, когда мы, наконец, ознакомились с тем, что же такое клетка, — посмотрим, как обстоят дела с возможностью воспроизведения такой структуры искусственным образом?

Сразу можно сказать следующее: всё плохо — мы умеем воспроизводить только не более 40% компонентов живой клетки — таких как компоненты ДНК (нуклеотиды), компоненты белков (аминокислоты); производились успешные эксперименты с искусственными рибосомами и перечисленными выше компонентами.

Но это всего лишь компоненты — а ведь нужно ещё, чтобы они работали внутри системы и есть проблемы: учёные могут искусственно заставить, в ручном режиме, осуществляться считанные процессы в клетке, в то время как для успешного её функционирования нужно, чтобы число одновременных процессов достигало множества одновременно — нужны некие нанороботы, которых пока нет (либо мы ещё не всё знаем, как заставить эти процессы осуществляться самостоятельно) — в частности, это касается и деления ДНК, которая в ручном режиме может делиться, но самостоятельно пока не хочет…

И главное — у нас нет искусственных митохондрий, которые могли бы обеспечивать клетку энергией (а как мы помним, именно они и послужили на начальных этапах развития клетки существенным скачком для эволюционного развития, обеспечив мощный источник энергии):



Проблем с созданием митохондрий много, например, пока не удаётся создать (и даже понять работу до конца):

• двойную мембрану (которую можно видеть на картинке);
• ДНК митохондрий (которая у них своя);
• АТФ-синтазу, которая отвечает за генерацию АТФ и представляет собой довольно сложное вращающееся устройство;
• автоматически прокачивать протоны через мембрану митохондрии;
• даже если удастся митохондрию создать — пока что совершенно непонятно, как синхронизировать работу ДНК митохондрии с ДНК самой клетки так как природный „интерфейс“ их общения очень сложен: митохондрии получают запросы от клетки на выработку новой порции энергии, например, когда мышца, в которой находится эта клетка, активно работает (запрос приходит в виде выброса ионов кальция).
  
  Искусственно повторить этот механизм пока не удаётся, так как не удаётся точно дозировать эти порции, потому что слишком большие порции приводят к повреждениям митохондрий, а слишком малых — недостаточно, чтобы стимулировать митохондрии на работу.
  
  Но, было бы ошибочно считать митохондрий только фабрикой энергии, так как они выполняют ещё множество функций, одна из которых заключается в предупреждении клетки, о поступившем вирусе, что осуществляется с помощью выброса перекиси водорода.
  
  Здесь тоже всё плохо: никак не удаётся дозировать эти выбросы — потому что слишком большие порции приводят к смерти клетки — а в оригинале, она должна была включить систему защиты от вируса.
  
  Вроде бы сложно? Погодите, надо ещё немного усложнить: теперь, прикинем, что клетка, в зависимости от её энергозатратности, содержит разное количество митохондрий, где число митохондрий колеблется от десятков до тысяч! И каждая из них обменивается с клеткой персонализированными сообщениями, на двусторонней основе! О_о
  
  Ну а вы думали, брокеры сообщений (и система обмена сообщениями, как таковая) есть только в компьютерной среде что ли...:-)
  
  А теперь ещё прикинем, что клеток то — не одна, им надо тоже как то взаимодействовать в рамках общей „стратегии“ и всё это опять надо как то синхронизировать… Как говорится: „Страшно сложно… Очень страшно сложно… Если бы мы знали что это такое — но мы не знаем что это такое“.

И это ещё не все проблемы. В общем, можно сказать что „с краешку кое что знаем, кое что можем. Но в целом — не можем ничего“:-)

Поэтому, учёные предполагают, что создание первых самых простых вариантов клеток полностью искусственного происхождения можно ожидать только в лучшем случае, лет через 20.

Но тут тоже есть исключение, своеобразная „тёмная лошадка“: применение ИИ вполне может многократно ускорить этот процесс, так как, например, известны примеры, когда использование искусственного интеллекта позволило ускорить разработку ферментов, которая бы заняла в обычном режиме порядка 10 лет, однако, с новым подходом, этот срок сократился до месяцев!

Ну и, не забываем, что применение ИИ вполне может привести (в теории) к так называемой „сингулярности“, когда каждый следующий скачок в науке и технике практически не будет требовать времени, и, в противовес предыдущему варианту, когда восходящая кривая развития плавно-плавно устремлялась вверх, здесь же, кривая развития может пойти просто вертикально, превратившись в прямую линию.

Однако, в таком случае, как говорят учёные, дальнейшие прогнозы перестанут иметь какой-либо смысл, так как, начиная с этого момента, может произойти вообще всё что угодно.

Поживём — увидим...;-)