Функциональные автоматы - основа машины управления.
Совершенствование машины управления.
АРХЕИ
Делеление архей.
Получение энергии.
Функциональный автомат - ретиналь.
Развитие бескислородного направления.
ЛОГИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ.
Краткие выводы.
ЛИТЕРАТУРА:
Нет, это еще не Жизнь. Но уже и не просто химическая система. Видимо, это можно назвать "зародышами" Жизни. И они развивались единственно доступным им методом - случайным. Медленно и хаотично.
"Мир РНК - гипотетический этап возникновения жизни на Земле, когда как функцию хранения генетической информации, так и катализ химических реакций выполняли ансамбли молекул рибонуклеиновых кислот. Впоследствии из их ассоциаций возникла современная ДНК-РНК-белковая жизнь, обособленная мембраной от внешней среды. Идея мира РНК была впервые высказана Карлом Вёзе в 1968 году, позже развита Лесли Орджелом[en] и окончательно сформулирована Уолтером Гильбертом в 1986 году." https://ru.wikipedia.org/?curid=533403&oldid=136255434
Эта теория до сих пор имеет массу оппонентов и критиков.
Достаточно взглянуть на страничку в Википедии о Мире РНК
"Абиогенный синтез РНК из более простых соединений не продемонстрирован экспериментально в полной мере. В 1975 году Манфред Сампер (англ. Manfred Sumper) и Рудигер Льюс (англ. Rudiger Luce) в лаборатории Эйгена продемонстрировали, что в смеси, вообще не содержащей РНК, а содержащей только нуклеотиды и Qβ-репликазу, может при определённых условиях спонтанно возникнуть самореплицирующаяся РНК.[2]
В 2009 году группе учёных из университета Манчестера под руководством Джона Сазерленда (англ. John Sutherland) удалось продемонстрировать возможность синтеза уридина и цитидина с высокой эффективностью и степенью закрепления результата реакции (а также с возможностью накопления конечных продуктов) в условиях ранней Земли.[3][4] В то же время, хотя абиогенный синтез пуриновых оснований продемонстрирован достаточно давно[5] (в частности, аденин является пентамером синильной кислоты), их гликозилирование свободной рибозой аденозина и гуанозина пока показано лишь в малоэффективном варианте.
Странная смесь из утверждений и недоверия. Да, процесс получения РНК есть, но ... "не продемонстрирован в полной мере", да, синтез показан, но, "лишь в малоэффективном варианте". Фиксируем и тут же стараемся опровергнуть.
Хорошо, просто примем к сведению, что мир РНК существовал...
Давайте вспомним, что от появления первых коацерватных капель до первых прообразов протоклеток прошло около 200 млн. лет. Это примерно в 10 раз больше, чем время, затраченное на появление всех необходимых веществ и концентрация их в коацерватных каплях. Ощущаете разницу?
Примерно пятьсот миллионов лет коацерватная капля превращалась в протоклетку. Конечно, при этом происходит множество случайных, но очень значимых химических и физических изменений. Правда, об этом лучше пусть говорят специалисты. Да, уже сказали....
Мы же, будем продолжать говорить, в основном, о цепочках РНК и их роли в появлении Жизни. А их роль в этом - огромна. И все же...
Вот здесь, в объяснении перехода от прообразов протоклеток, уже имеющих все основные свойства биологической материи, к, настоящим протоклеткам, пусть и почти автоматам, спотыкаются все теории.
Примерно 4 млрд. лет назад условия на Земле резко изменились. Земля переживала позднюю тяжелую бомбардировку, длившуюся почти миллиард лет.
До этого периода миллионы лет случайность формировала автоматические системы на основе вполне физических законов. Происходили основные физические и химические взаимодействия, которые привели к созданию из коацерватных капель сложных лабиринтов с липидными стенками и перегородками из цепочек РНК.
При этом, в объеме лабиринта возникло множество клубков из относительно коротких цепочек РНК с активными зонами. В этих зонах плывущие в потоке цепочки РНК видоизменялись и преобразовывались. И потому, вполне можно утверждать, что клубки РНК, находящиеся в разных местах лабиринта прообраза протоклетки, могут быть представлены, как автоматы, которые производят какие-то регулирующие действия в объеме клетки.
И эти действия прямо ведут этот прообраз к созданию полноценной протоклетки...
Первичное разнообразие протоклеток.
Конечно, переход коацерватных капель в состояние прообраза протоклеток должен был происходить. На это хватало и исходного многообразия химического состава капель, и формы их преобразования из одного состояния в другое, и уж конечно, хватало времени, на все эти изменения.
Мы говорим только о самых общих, почти автоматических изменениях, обязательно происходивших в это время. Наличие РНК в составе исходных составляющих протоклеток практически определило путь их изменения.
Но, любое случайное изменение, так или иначе, предполагает два пути развития этого изменения. Прогрессивный или регрессивный.
Прогресс предполагает, как усложнение структуры, так и внутреннее развитие её составляющих. При прогрессивном развитии протоклетки усложняется структура каналов течения жидкости её внутреннего объема, образуется сложная система перегородок, массовое появление узлов управления вблизи перегородок, появление потоков, касательных к перегородкам и протекающим через них.
Это создает условия для начала физических процессов как прямого, так и обратного осмоса. При этом в протоклетке образуются зоны повышенного содержания солей и свободные от солей. Движение жидкости в протоклетке становится частично сквозным.
Жидкость поступает внутрь клетки, проходит по внутреннему объему и покидает его, унося с собой те или иные химические соединения. Это позволяет накапливать одни составляющие и избавляться от других.
Разнообразие функций, выполняемых в активных зонах узлов управления, возникших как обычных клубков из цепочек РНК, привело к множественным процессам преобразования и изменения РНК. От расщепления двойной спирали до резки цепей на отдельные основания, так и репликации цепочки РНК до двойной спирали и последующем копировании цепей любой длины.
Но, как ни странно, этот путь никуда не ведет.
Количество здесь не скоро перейдет в качество. И для этого необходимы дополнительные условия, которых пока нет.
Регрессивный путь развития предполагает упрощение компонентов внутренней структуры и самую узкую их специализацию из всех возможных вариантов. Это один из путей деградации.
Различие в химическом составе исходного многообразия коацерватных капель привело к сильнейшей функциональной специализации отдельных возникающих прообразов протоклеток. Это вполне закономерный процесс.
Каждый процесс преобразования стремится к функциональной направленности. Так диктует колебательный процесс изменения действия случайности и его "противоположность" - самоорганизация и стабилизация, удерживающие систему от распада. Упрощение системы обуславливает и её функциональное упрощение за счет сужения специализации.
Этим можно объяснить возрастающее многообразие первичных прообразов протоклеток при их максимальном функциональном упрощении.
Это путь появления копирования функции.
Средства и способы копирования.
Действительно, все клубки из РНК имеют ограниченный срок существования. И если уникальные свойства этого клубка не зафиксировать в форме, пригодной для дублирования, то о существовании его говорить уже не приходится.
Чуть ранее мы уже говорили о возможностях такой фиксации в форме шаблона или матрицы на основе цепочки оснований РНК. И о возможностях копирования "по образцу".
Даже само слово "копирование" уже предполагает наличие "оригинала" и результат копирования - "копию". Так что, вопрос не в самом процессе копирования, а в получаемом результате. Что мы получаем в результате копирования? Копию.
Какую? А вот тут сразу ответ не находится.
В чем копия должна повторять оригинал? В форме или в содержании? Насколько копия должна копировать оригинал, т.е. насколько копия должна повторять оригинал?
Понятно, что в лучшем случае копия должна быть неотличима от оригинала. Она должна полностью повторять оригинал. Во всех мелочах и деталях.
Эх, хорошо бы..., да только для этого нужны соответствующие возможности.
Протоклетка имеет эти возможности? Конечно - нет.
Она пока освоила только произвольное копирование "по образцу". Да и то, в режиме "как получится". Вот и все возможности...
Но, давайте разберемся.
Как-то не очень сегодня понимается копирование:
"Копирование (от лат. copia - множество) - процесс изготовления копии, то есть воспроизведения объекта, процесса, явления, информации.
Копирование конструктивное - создание, путём копирования конструкции образца (прототипа) некоего устройства/аппарата, полностью повторяющего конструкцию оригинала (клон, реплика, пиратская копия). Может быть полным или частичным...
Механическое копирование - воспроизведение режущим инструментом профиля контура или формы изделий на токарных, фрезерных и других станках, оснащенных копировальными устройствами, или на специализированных копировальных станках. Впервые механическое копирование при обработке изделий резанием было применено в начале XVIII века русским механиком А. К. Нартовым.
Копирование с помощью 3D-сканирования - сравнительно новая альтернатива чисто механической обработке по копиру или образцу. ...
Техническое моделирование как хобби - включает в себя, в числе прочего, изготовление моделей-копий (чаще всего - автомобилей, самолётов, судов, военной, железнодорожной техники) в уменьшенном масштабе, с той или иной тщательностью воспроизводящих внешний вид и функции оригинала.
Современное понимание процесса копирования имеет явные тенденции к упрощению и ограничению современными способами копирования. Это настораживает.
Только в последнем пункте разнообразия понимания копирования мы встречаем слова "с той или иной тщательностью воспроизводящих внешний вид и функции оригинала". Только здесь мы отклоняемся от шаблонной "копии" как повтора "оригинала", как "реплики" и вспоминаем, что есть еще и другие понимания копирования, более сложные, чем приведены здесь. Например, как копирование функции. Т.е. того, что делает "оригинал", а не только внешнего вида и пропорций.
Копия автомобиля или паровоза должна сама передвигаться, в той или иной мере копируя принцип действия оригинала. А копия самолета должна летать, если мы говорим о функциональном копировании. Или о копировании функции оригинала.
Смотрим в другом источнике:
"копироватьнесов. перех. 1) а) Делать копию чего-л. б) Точно воспроизводить оригинальное произведение (обычно произведения изобразительного искусства). 2) Подражать кому-л. в движениях, походке, голосе, мимике и т.п. 3) Воспроизводить что-л. с помощью специальных средств, устройств." Ефремова Т.Ф. Толковый словарь русского языка. http://www.efremova.info/word/kopirovat.html#.Vwi76_mLQUQ
Тут уже явно более полное понимание...
Причем, п.1 и п.3 разделяют копирование на несколько различных понятий. На воспроизведение и подражание. В одном случае "точно копируется" оригинал, во втором создается "приближенная" функциональная копия.
Здесь и возникает степень приближения к оригиналу при его копировании.
Что мы копируем и с какой степенью приближения к оригиналу?
Мы можем сформулировать некоторую разбивку на уровни соответствия копии и оригинала, как результата процесса копирования:
Первый уровень - функциональное копирование. Копия повторяет одно или несколько свойств оригинала, как основную функцию копии в сравнении с оригиналом.
Второй уровень - матричное копирование. Копия повторяет оригинал не только по исполняемой функции, но и по составу компонентов, без оценки полноты копирования.
Третий уровень - полное копирование, с контролем качества и эффективности. Копия практически неотличима от оригинала.
Четвертый уровень - эволюционное копирование, при котором копия отличается от оригинала в сторону усиления заданных свойств.
Приведенные уровни копирования вызывают недоверие, начиная с третьего пункта. Почему, и так почти недостижимое, полное копирование не является вершиной этого процесса? Зачем нужен четвертый уровень? Чем эволюционное копирование отличается от матричного копирования со случайным результатом?
Точное копирование как создание копии неотличимой от оригинала, это очень сложная задача. Человеком она не решена до сих пор. Ни технически, ни теоретически.
А вот клетка на своем уровне эту задачу решила. Правда, не сразу.
На том этапе, о котором мы сейчас рассказываем, об этом еще не было и речи. Пока осваивались только первые подходы к процессу копирования. Вот и мы начнем с начала, с первых вариантов копирования и когда-нибудь доберемся до современности...
Функциональное копирование.
Если вдуматься, клубок РНК, имеющий какие-то активные зоны, способный проводить репликацию РНК любой длины, стал шедевром работы случайности по постепенному переходу от коацерватных капель к протоклетке. Это основа клеточных функциональных автоматов. Но, для нормальной работы механизмов дублирования узлов протоклетки на такой основе нужен был "противовес" - клубок, разбирающий любую РНК на основания. Полностью.
Ну, конечно же, появился и такой. Ломать - не строить, тут все относительно просто. Это у случайности получилось быстро. Этот последний необходимый элемент общего комплекса дублирования уже был давно создан. К нему был достроен механизм "разматывания", для отделения одиночной цепочки РНК от всего клубка.
Где-то, когда-то, на поверхности липидной мембраны в центральной части протоклетки весь это производственный комплекс закрепился в нужном порядке и приступил к постоянной работе.
Любой клубок РНК захватывался и разматывался на цепочки. Например, для этого мог применяться примерно такой же "молоточковый", как на рис.1.4, узел расщепления двойной спирали РНК на отдельные короткие и длинные одиночные цепи.
Теперь любое образование из РНК, проплывающее рядом с этим комплексом копирования, захватывалось, распускалось на одиночные цепочки РНК, и начиналась репликация этих цепочек до двойной спирали. Потом двойная спираль снова расщеплялась на одиночные цепочки. Цепочки на выходе опять спутывались в клубок.
Когда-то это была полная копия первоначального, когда-то - частичная, состоящая из копий и дополнений, но ... процесс развивался дальше.
Одиночные цепи, естественно, тут же соединяются парными основаниями во вторичные, третичные, четвертичные и т.д. структуры. Образование и геометрия этих структур вполне определяется последовательностью оснований в одиночной цепи и повторяется почти автоматически.
На выходе из этого "завода-автомата" для копирования цепей РНК хоть и не всегда, но выходят уже вполне готовые автоматы копирования, как в виде копий, так и виде "дополнения". Вряд ли последние так же эффективно выполняют функции копирования, но, ... это издержки производства. Они, возможно, тоже обладают какими-то функциональными способностями, но даже если и нет, то когда-нибудь они снова приплывут сюда и послужат матрицей для изготовления уже полноценной копии автомата копирования. Здесь ничего не пропадает...
Эти автоматы копируют все подряд, в том числе и сами себя, многократно. Постепенно появились и мобильные комплексы копирования, локализованные липидной оболочкой, например, небольшой частью лабиринта, не привязанные к одному месту в клетке, а свободно перемещающиеся по всему объему.
Протоклетка постепенно приближается к самокопированию...
Функциональные автоматы.
Ну, тут нам уже кое-что знакомо...
Для понимания уточним понятия:
"Машина (лат. machina - 'механизм, устройство, конструкция', от др.-греч. μηχανή - 'двигать') - техническое устройство, выполняющее механические движения для преобразования энергии, материалов и информации[1]. В более расширенном современном определении, появившемся с развитием электроники, машиной является технический объект, состоящий из взаимосвязанных функциональных частей (деталей, узлов, устройств, механизмов и др.), использующий энергию для выполнения возложенных на него функций[2]. В этом понимании машина может и не содержать механически движущихся частей.
... Простая машина - механизм, который изменяет направление или величину силы без потребления энергии.
"Автомат - машина, самостоятельно действующее устройство (или совокупность устройств), выполняющее по жёстко заданной программе, без непосредственного участия человека, процессы получения, преобразования, передачи и использования энергии, материала и информации." https://ru.wikipedia.org/?curid=7384&oldid=125149678
Автомат, это машина, действующая самостоятельно.
Именно об этой стороне работы клубков РНК мы всегда и говорили. О развитии автоматических действий этой простейшей машины.
По этой причине я исходно назвал клубки РНК функциональными автоматами.
Первые клубки РНК появились еще в прообразах клеток. Они практически создали условия для формирования всех основных свойств Живого, правда, на функциональном уровне, не предполагающем точное воспроизведение свойств материнской структуры в дочерней. Копирование функциональное, размножение фрагментарное, передача свой свойств - примерная...
Появление логического автомата, собирающего цепочку РНК из отдельных фрагментов со вставкой технологических "меток", резко изменило принцип копирования функциональных автоматов. Произошел переход от функционального копирования к матричному. При таком копировании воспроизводится точная копия исходного оригинала на молекулярном уровне.
Что представляли собой первые функциональные автоматы протоклеток?
Это были, в основе своей, клубки из цепочек РНК с какими-то активными зонами. По сути дела, именно наличие этих, электрически активных зон, например, открытых молекулярных или ионных связей, создало условия для проведения многих обратимых реакций катализа и синтеза в этих зонах. Хотя бы на уровне резки и сшивки частей цепочек РНК и солей.
Однажды начавшись, это процесс уже не останавливался никогда. Теперь вопрос только в уровне применяемых технологий для создания функциональных автоматов.
Сегодня очень сложно сказать, какие именно функциональные автоматы появились на первичном периоде перехода прообразов протоклеток как более или менее организованные структуры. Но кое-что сказать можно...
Клубок РНК, появившись даже в 'чужой' для него капле-протоклетке, начинает "формировать пространство" "под себя". Он создает регулируемый канал, перегородку из цепочек РНК собственного производства, поддерживает постоянство потока жидкости через клубок и перегородку, частично регулирует солевой, липидный и кислотный состав в потоке.
Иногда такой клубок "копирует" и свойства своего "родителя" - такого же функционального автомата. Новый автомат, это тоже клубок РНК, но скорее всего, уже не один, а в составе системы связанных клубков, формирующих в потоке не просто случайную структуру, а уже системную сборку клубка "по шаблону" из цепочек РНК.
Помните, мы говорили о массовом формировании клубков из РНК и их свободном перемещении в объеме протоклетки или окружающей среды. В каналах протоклетки такие клубки вполне могут образовать цепочку из последовательности клубков в одном потоке. И любая цепочка РНК теперь не просто преобразуется в клубки, а преобразуется примерно постоянным образом, зависящим от расположения активных зон в клубках и самих клубков в такой цепочке из клубков РНК. Возникает "функциональный" "шаблонный" комплекс преобразования.
Правда, и "шаблон" у нас, скорее всего, сложный. И потому, у него несколько путей реализации.
Например, комплекс формирует несколько разных клубки РНК. И они все имеют активные зоны, которые вполне могут привести к слипанию образующихся клубков в один, сложный. В результате этого процесса на выходе получается один клубок из нескольких частей, может быть. Например, из двух. На двух шаблонах создавались функциональные копии, точнее, их половинки. А потом уже, эти половинки, сойдя с "шаблона", "слипались" своими активными зонами и образовывали, действительно, более или менее, функциональный аналог, который мог делать нужные операции с РНК. Так сегодня в клетках делаются рибозимы.
Конечно, клубки не выходят как "под копирку", но все же, достаточно одинаковые по составу и расположению активных зон. Нужное дело эта копия уже делает.
Второй вариант, когда наш комплекс создает несколько разных клубков, выполняющих разные, заданные шаблоном, функции. Клубки уходят из зоны производства и где-то закрепляются, начиная производить свою функцию. Если они закрепились в нужном порядке, то повторят работу своего "создателя", производивший их шаблонный комплекс.
Третий вариант, когда такой же сложный комплекс из нескольких клубков РНК создается в общей липидной оболочке. Это может быть часть рукава липидного лабиринта, отделенного чем-то от основной структуры. Этот вариант самый редкий, но, как мы понимаем, самый перспективный. Потому, что функциональный автомат теперь еще и обособлен своим локальным пространством липидной оболочки. Здесь просматривается дальнейший путь превращения этого локального образования в органоид высокоразвитой клетки, такой как ядро, ядрышко, аппарат Гольджи...
А пока обратим внимание на то, что процесс формирования клубка РНК "по шаблону" из активных зон создает "копию функции", а не "полную копию".
Вот это важно.
Одно можно сказать точно, эти новообразования создавали среду для совместного проживания и все пользовались плодами этой деятельности.
Сегодня мы можем говорить уже о нескольких уровнях сложности функциональных автоматов клетки:
Первый уровень предполагает создание автомата на основе одного материала и исполнения одной функции в системе клетки. К автоматам первого уровня даже в современной клетке относятся почти все рибозимы. Это рибосомы и автоматы работы с цепями РНК в клетке.
Второй уровень предполагает уже комплекс из нескольких автоматов первого уровня, локализованный липидной оболочкой, с усложнением выполняемой функции до конечного продукта с несколькими заданными параметрами. В том числе и производство автоматов первого уровня. В современной клетке это, например, РНК-полимеразы.
Третий уровень предполагает локализованный комплекс использования нескольких автоматов первого и второго уровня для выполнения сложной конечной функции или получения конечного продукта в виде автоматов второго уровня или нового продукта, отсутствующего в системе клетки. В современной клетке это ядерные комплексы эукариот работающие с ДНК и РНК, и ядрышковые комплексы производства рибосом.
Вот на этом уровне сложности заканчивается использование функциональных автоматов. Чтобы развивать это направление далее, необходимо менять систему управления в клетке. Но, ... сейчас клетка в своем развитии еще и на второй уровень сложности функциональных автоматов толком не поднялась.
Только первые шаги делает.
Функция фрагментарного размножения.
Это наиболее сложный для понимания основной признак Жизни. Как и когда он мог возникнуть? Здесь сразу возникает множество вопросов, на которые у современной науки ответов пока нет. Не зря, именно этот вопрос был вынесен как основной в критике теории Опарина, "теория оказалась неспособной предложить решение проблемы точного воспроизведения...", но и другие теории в этом не преуспели.
Наверное, обоснованного решения здесь нет. Есть только предположения.
Попробуем предложить и свой вариант...
Функциональное разделение прообразов протоклеток возникло вполне объективно. Оно поддерживалось почти автоматически, пока условия внешней среды были примерно постоянными. Автоматы работали и, с одной стороны, постепенно усложнялись, потому, что развитие предполагает прогресс. С другой стороны, автоматы все более упрощались, при этом их специализация становилась все более узкой и избирательной. Это второй путь развития, регрессивный.
В общем, процесс вполне объективный и понимаемый.
При этом никакого антагонизма между автоматами не возникало, просто потому, что не было причины для этого. И потому, автоматы на основе клубка РНК образовывали, как сообщества разных типов автоматов, так и сложные виды симбиоза, даже когда одни автоматы проникали внутрь других, находили там наиболее благоприятные для себя условия существования и оставались в этих условиях.
Взаимопроникновение функциональных автоматов друг в друга видимо было нормальным явлением в то время. Это позволяло всем существовать относительно комфортно.
Подчеркнем, что мы говорим о случайном процессе хаотического изменения.
Вот здесь, как мне кажется, наибольшую роль опять начинают играть два взаимно противоположных процесса - колебательный процесс возникновения изменения и "вязкая" стабилизация состояния материального объекта в окружающей среде. Понятно, что мы говорим более о философской тенденции, но..., синергетика подтверждает наши предположения.
Это привело к возникновению всё большего количества специализированных автоматов с одной стороны, и возникновению относительно крупных прообразов протоклеток, содержащих внутри такие автоматы в большом количестве. Вполне функциональный симбиоз.
Вот где-то здесь возникла функция фрагментарного размножения.
Нет, это еще не полное копирование и деление, это пока просто увеличение внутреннего объема прообраза протоклетки за счет своих функциональных автоматов с последующим хаотическим отделением части исходного объема.
Если одни автоматы производят липидные капли с солевым включением, то другие автоматы собирают эти капли и отделяют липиды, включая их в состав своей стенки, а соли выбрасывают во внешнюю среду. Это взаимообратимые процессы.
Чаще всего, автомат, использующий липиды для увеличения своей оболочки, поглощает и уничтожает автоматы производящие липидные капли с солевым включением.
Есть еще и другой вариант, когда автомат наращивающий оболочку, поглощает автомат, производящий капли с солевой начинкой, без уничтожения. И автомат, производящий капли, начинает работать внутри большой коацерватной капли-протоклетки. Формировать липидные капли с солевой начинкой. Потом в этой капле появится еще один примерно такой же автомат, производящий липидные, капли с солевой начинкой, потом еще один...
В этом случае будущая протоклетка начинает поглощать отдельно липиды и соли, а в отбрасываемых веществах будут содержаться липидные капли с солевым включением. При этом часть поглощаемых липидов будет использоваться и на увеличение размеров протоклетки. Но когда-то размеры большой протоклетки превысят размер надежного существования, и капля-протоклетка развалится на несколько капель.
И во многих её частях останутся автоматы, производящие капли с солевой начинкой. Физические процессы восстановят лабиринты и регулирующие клубки РНК на потоках жидкости, внутренние условия вернутся к нормальным, и новые капли-протоклетки начнут свое существование.
Это можно считать процессом фрагментарного размножения? Да, хоть и очень ограниченно. Такой процесс размножения на этом уровне вполне имеет право на существование. Это достаточно объективно.
Подчеркнем, основа этого вида размножения - способность увеличения объема капли-протоклетки. А вот сам процесс размножения - случаен.
На первом этапе появления протоклеток основным стал принцип функционального копирования. О точном копировании чередования основания еще невозможно было говорить. Отсутствовала необходимость такого копирования. Функциональное копирование не позволило оценить различие свойств клубка РНК от состава оснований в составе отдельных цепей.
С другой стороны, основа любого автомата этого уровня, это клубок РНК в потоке жидкости. Вот она, активная часть любого такого автомата. Физические процессы и активность РНК создают условия для многофункциональности примерно одинаковых по внутреннему устройству структур на основе липидов, РНК и солей в водяном растворе. РНК выделяется из остальных компонентов только своей каталитической активностью и многокомпонентностью состава.
Сколько оснований РНК было зафиксировано на первом этапе строительства протоклетки, сегодня уже установить трудно. Мы уже знаем, что модифицированных нуклеотидов в РНК всего может быть более сотни.
Просто, для справки:
"Нуклеозиды - это гликозиламины[gl], содержащие азотистое основание, связанное с сахаром (рибозой или дезоксирибозой).
Нуклеозиды могут быть фосфорилированы киназами клетки по первичной спиртовой группе сахара, при этом образуются соответствующие нуклеотиды.
"Нуклеотиды (нуклеозидфосфаты) - фосфорные эфиры нуклеозидов. Свободные нуклеотиды, в частности АТФ,цАМФ, АДФ, играют важную роль в энергетических и информационных внутриклеточных процессах, а также являются составляющими частями нуклеиновых кислот и многих коферментов." https://ru.wikipedia.org/?curid=61805&oldid=137443651
И потому, сколько есть нуклеозидов, столько же будет и нуклеотидов. В том числе и оснований нуклеиновых кислот ДНК и РНК.
Читаем о нуклеотидах РНК:
"Нуклеотиды РНК состоят из сахара - рибозы, к которой в положении 1' присоединено одно из оснований: аденин, гуанин, цитозин или урацил. Фосфатная группа соединяет рибозы в цепочку, образуя связи с 3' атомом углерода одной рибозы и в 5' положении другой. Фосфатные группы при физиологическом рН отрицательно заряжены, поэтому РНК - полианион. РНК транскрибируется как полимер четырёх оснований (аденина (A), гуанина (G), урацила (U) и цитозина (C), но в "зрелой" РНК есть много модифицированных оснований и сахаров[11]. Всего в РНК насчитывается около 100 разных видов модифицированных нуклеозидов ... " https://ru.wikipedia.org/?curid=23681&oldid=34319496
Сейчас основой стали всего четыре парных основания: А - У, Г - Ц.
И мы помним, что, когда мы говорим о четырех основаниях РНК, мы говорим только об основном варианте..., на самом деле нуклеозидов и их нуклеотидов, как оснований РНК могло быть значительно больше. Но они редко встречаются.
Упрощение понимания тут примерно аналогично пониманию генетического кода. Вообще-то вариантов кода 16 или 18, но все говорят только об основном.
Нас эта цитата интересует и в плане понимания последствий многообразия оснований в цепи РНК. Многообразие создает функционально разные активные зоны в клубке РНК без учета комбинации чередования оснований в цепочке РНК.
Сохранение свойств функционального автомата полностью зависит от состава и расположения активных зон, работающих внутри этого клубка РНК.
Мы уже неоднократно говорили, что многие сложные, обособленные липидной оболочкой, функциональные автоматы производят клубки РНК и сбрасывают их во внешнюю среду. Если такой автомат попадает внутрь большой капли-протоклетки, он продолжит делать то же самое. Он будет формировать клубки из цепей РНК. И сбрасывать их во внутренний объем капли-протоклетки, а потом и в объем внешней среды. После попадания во внутренний объем этой или другой капли-протоклетки вновь созданный клубок РНК начнет опять делать свою работу - создавать перегородки на внутренних потоках капли и поддерживать их.
Можно это назвать передачей свойств от одного объекта к другому? С большой натяжкой, но можно. Но, функция здесь точно передается. Хоть иногда и не полностью.
Мы заговорили о множестве оснований РНК только в связи с многогранностью функциональных автоматов, появившихся в каплях-протоклетках. И уточнили, что клубки РНК передают функцию. До передачи конкретных индивидуальных свойств при таком размножении мы пока не добрались.
При этом и размножение, и передача функции уже появились.
Специализация функциональных автоматов.
Мы уже говорили, что конечные размеры коацерватных капель были установлены условиями их существования. Меньше нельзя, лабиринты из липидных оболочек не образуются, больше невозможно, все равно разобьет на более мелкие капли...
Вот на этом островке стабильности и стали развиваться первые функциональные автоматы клеточного уровня.
Мы уже давно говорим о функциональных автоматах, но пока не оценивали основные направления этого процесса. А это важно оценить сразу.
Что, мы, собственно, имеем в виду, говоря о функциональных автоматах?
Что это такое, как это появляется, или что он делает? Эти вопросы сразу задают критический подход к функциональным автоматам.
Что значит - функциональность для автомата?
Может быть, это возможность исполнять свои функциональные действия или производить какой-то продукт?
Вполне справедливо.
Функциональность, это способность производить малый набор действий с определенным результатом.
Но, чтобы такой функциональный автомат мог существовать, нужна внешняя среда, позволяющая реализовать эту функцию, и еще лучше, стимулировать её усиление.
Это свойство среды реализовала ... колония прообразов протоклеток в их функциональном исполнении.
Например, массовое образование лабиринтов в объеме коацерватных клеток привело к тому, что количество соли, содержащиеся в составе жидкости капли, стало изменчивым. В том числе и от работы лабиринтов в структуре капли. Соли стали концентрироваться в одних местах, и активно убираться из других. Одними структурами излишки солей выбрасывались во внешнюю среду, другие вынуждены были жить уже в условиях повышенного содержания солей и это были уже нормальные условия их существования. То же самое касается липидов и цепочек РНК. Тут пусто, а тут - густо...
На этой неравномерности и возникла случайная функциональная направленность развития. Одни функциональные автоматы накапливали соли и упаковывали их в липидный кокон, отправляя его во внешнюю среду, другие накапливали РНК в клубках, и потому во внешней среде оказывались не отдельные цепочки РНК, а сразу клубки. Третьи, наоборот, разбирали все цепочки РНК на отдельные нуклеотиды, и таким образов поддерживали сквозной поток жидкости через свой лабиринт.
Может быть, функциональность для автомата, это возможность воспроизводить автоматы, выполняющие нужные действия или продукт?
И это вполне справедливо.
Автомат, с одной стороны, должен воспроизводить функцию, а с другой стороны, он должен воспроизводить и сами автоматы, исполняющие определенную функцию или продукт. На этих различиях в понимании мы уже можем начать классификацию функциональных автоматов.
Функциональные автоматы почти автоматически разделились на две большие группы:
Автоматы, выполняющие функцию.
Автоматы, воспроизводящие устройства и средства для выполнения функции.
Если разбираться в функциональном разнообразии стихийно возникающих различных автоматических устройств на основе клубков РНК, то сразу необходимо говорить о возможности копирования и повтора таких устройств. Иначе невозможно говорить о постоянстве существования этих устройств в составе протоклетки.
Появление матричного автомата клетки.
Усиление роли функциональных автоматов в системе клетки, формирование узкоспециализированных автоматов, таких, как полупроницаемые мембраны, клубки из РНК, формирующие разнообразные автоматы из клубков РНК, включая и дублирование самих себя, создали условия для постепенного перехода от функционального копирования к полному. Такое копирование включает и дублирование последовательности оснований в цепочках РНК, составляющих тот или иной функциональный автомат.
Здесь и появился первый матричный автомат. Такой же функциональный автомат, как все остальные, имеющиеся в клетке. Он собирал все цепочки РНК, проплывающие мимо него, в большую цепь. О таком автомате мы уже начинали разговор ранее.
Этот автомат стал создавать целое дерево из цепочек РНК, "пришивая" к нему всё новые и новые последовательности.
Понятно, что это "дерево" из цепочек РНК было "бесконечное", т.к. функциональный автомат двигался по создаваемой им цепочке РНК, как по основной цепи, так и по любому создаваемому им же продолжению. Так уж устроены все функциональные автоматы. Для них главное - выполняемая функция, а не результат.
Но, в данном случае, такая работа вполне может быть признана удачной. Автомат создавал "матрицу" для "осаждения" на ней "недостающей" части РНК. Какая-то цепочка таким образом заполнялась полностью, какая-то свертывалась во вторичную структуру и далее, но процесс репликации начался.
Получаемая в результате этой операции сложная структура, теперь уже, двойных спиралей РНК тут же попадала в поле действия какого-нибудь "режущего" автомата или даже их "колонии".
И начинается обратный процесс - резка "дерева" на составляющие. "Обрубаются" ветви, "расщепляется" все подряд на одиночные цепочки и сбрасывается в поток жидкости, омывающей эту область.
Фактически же, так заканчивается репликация. Формированием одиночных цепей РНК, содержащих теперь и "матрицы", и их "копии", как отдельные цепочки РНК.
Обратим внимание, процесс идет с помощью функциональных автоматов, и только наращивание второй половины двойной спирали идет спонтанно. В этом процессе явно не хватает одной составляющей - автомата синтеза РНК на матрице. Каким был первый автомат копирования РНК на матрице мы не знаем. Но, когда-то он появился...
Просто потому, что случайность свое дело делала, и времени у неё было достаточно.
Постепенно длинная цепь РНК перестала "обрастать" "ветвями". Стала моноцепью, а потом, скорее всего, она свернулась в кольцо. Новые "ветви" стали "вставляться" в цепь кольца.
Скорее всего, когда-то место такой "вставки" стало фиксироваться определенными "метками", определенной последовательностью оснований РНК. Потом они стали, чем-то вроде "старт-кодонов" и "стоп-кодонов". Знаки стали появляться не потому, что это начало и конец репликации, так автомату было технологически проще выполнить "сшивку" цепи. В данном случае, только этот довод оказывается решающим.
"Проще", это и перейти на "стандартный" экономичный метод с помощью, хоть того же "мини-шаблона" из нескольких оснований, создающего условия удержания конца всей цепи РНК в активной зоне, и меньше энергии затратить..., такие усложнения системы почти всегда связаны с экономией энергии и стабилизацией процесса. И здесь нет исключения из правила.
Всё. Техническая часть процесса завершена. Есть автомат "сшивки" цепи РНК с "метками" вставок. Есть автомат, синтезирующий недостающую часть цепи РНК до двойной спирали. Есть автомат, режущий двойную спираль на одиночные цепи. И вполне может появиться автомат, удерживающий одну цепочку в закольцованном состоянии, а вторую он режет на отдельные цепочки по "меткам" вставок.
Все составляющие базовой памяти появились...
Можно это считать началом памяти? Конечно.
Матричная информация.
Да, можно сказать и так. Информация появилась, как система передачи накопленного опыта без его осмысления или понимания. Нечем было еще осмысливать и обдумывать.
Ранее мы уже устанавливали появление информационной составляющей у первых протоклеток. В виде передачи функциональной составляющей.
Клубки РНК "научились" делать свои функциональные "копии".
Это привело к началу такого же "функционального" "размножения" протоклеток способами фрагментации и почкования. Понятно, что такой способ размножения не позволял точно передавать качества и достигнутые особенности родительской клетки. Передавалась функция, а не полная информация.
Здесь надо напомнить, что еще на уровне коацерватных капель в клубках РНК появилась возможность закреплять какую-то захваченную в потоке жидкости канала цепочку РНК. Фиксировать её в активной зоне клубка так, чтобы полученное на ней дополнение было возможно как-то "срезать", разделив "матрицу" и полученную "копию". Мы этот процесс рассматривали при разборе понятия "унификации" РНК клубками РНК. "Резку" двойной спирали РНК на одноцепочечные последовательности такие клубки "научились" делать еще раньше.
Так или примерно так сформировался способ получения множества идентичных копий с одной матрицы. Способ оказался простым и действенным.
Очень скоро вся протоклетка оказалась заполнена такими предельно унифицированными цепочками РНК, как одинарными, так и двойными. Но, "эталон" для "матрицы" хаотично менялся и копии становились разнообразными. Тем не менее "полигон" испытания разных цепочек РНК включился в работу. Какие-то цепочки сворачивались во вторичные, третичные структуры, становясь то одними функциональными автоматами, то другими. Но ...
Для их получения уже использована одна цепь РНК строго одной последовательности оснований. И если такая цепочка попадала в аппарат копирования протоклетки, состоящий из нескольких клубков РНК, которые производили "разматывание" клубка, его "копирование", новую резку на одинарные цепи..., то на выходе мы получали уже новую "матрицу" и "рабочую копию". Далее одинаково копировались и "матрицы" и "копии". Но теперь они уже копировались с точностью последовательности оснований РНК.
Процесс копирования в клетке перешел на качественно другой уровень.
С функционального на матричный.
Мы немного упустили момент формирования "матрицы". Да, автомат формирования "матрицы" захватывал из своего потока все цепочки РНК и собирал из них новые и новые "эталоны" для копирования. До предела своих возможностей по удержанию концов "сшиваемых" последовательностей. И когда-то свободный конец приближался к зоне, удерживающей начало цепи. Концы цепочки автоматически "сшивалась" через "метку". И получалось кольцо. Мы об этом уже начинали говорить чуть ранее.
Длина цепи, с которой мог работать автомат, ограничена. Может быть системой активных зон для удержания концов собранной цепи, а потом и сборки вторичной формы, позволяющей собраться в "клубок".
![2life [ANikitin]](/img/n/nikitin_andrej_wiktorowich/chast_2_mir_rnk/2life0.png)