Эдуард Бормашенко: Жизнь в клетке

Loading

Итак, клетки не могут быть ни слишком большими ни слишком маленькими. Но так или иначе, живая клетка — объект макро­скопи­чес­кий. Клетки содержат жидкости (Александр Воронель любит говорить: все живое — мокрое).

Жизнь в клетке

Эдуард Бормашенко

 Эдуард Бормашенко Заполняя лакуны в общем образовании, я принялся читать книги по биологии развития. Наметанным физикой глазом я заметил, что габариты живых клеток расположены в очень узком коридоре размеров, располагаясь между одним и сотней микрометров. Очень большие и очень маленькие живые клетки — редки. Исключения из общего правила — примечательны. Одноклеточная многометровая водоросль Acetabularia mediterranea имеет радиус сечения порядка все той же сотни микрон. Замечательный «выброс протяженности» доставляет и одноклеточный сантиметровый желток яйца. Все эти исключения из правила, как учит нас Талмуд, рассказывают не о себе, но более о самом правиле.

Громадное, подавляющее большинство клеток все-таки больше микрона и меньше сотни микрон. Для физика столь малый разброс размеров не случаен, но несет в себе некую важную информацию. Какую? Этого я не знал, и отправился за ответом к биологам. Биологи испуганно таращили на меня глаза, развернутые в сторону совсем иных вопросов, и логично вытекающих из них ответов; толку я от них не добился.

В тот же вечер, перечитывая Тейяра-де-Шардена, я наткнулся и на ответ. Василий Васильевич Налимов, утверждал, что если ты думаешь фанатически напряженно, то нужная, полезная статья, ссылка тебе непременно попадутся. Точнее сказать, вероятность того, что случайно наткнешься на дельный, стимулирующий текст — очень велика. Я часто убеждался в справедливости этого мистического воззрения на вероятность, а тут получил и прямое подтверждение идей Налимова. Тейяр-де-Шарден писал следующее: на живую клетку возложено невероятное разнообразие биологических функций, поэтому она по необходимости должна быть большим, макроскопическим объектом.

«В биологии, как и в навигации, физически требуется определенный размер, чтобы некоторые движения стали возможными… И также … организм находит внутри себя достаточно места, чтобы разместить многочисленные детали механизма, возникшие путем постепенного прибавления из его дифференциации» (П. Тейяр де Шарден, «Феномен Человека», Наука, Москва, 1987).

Прекрасный философский ответ. Но мне все-таки упорно хотелось ответа физического: отчего размеры живых клеток именно таковы, что замечательного в этом диапазоне 1–100 микрон?

Рассуждения физика привели к следующему: слишком маленькой живая клетка быть не может1,2. Для сохранения своей биологической целостности объемная энергия клетки должна существенно превышать ее поверхностную энергию. Для очень маленьких клеток это соотношение может и нарушаться. Но дело не только в этом. Живая клетка не только энергетическая, но и информационная машина, и должна быть хранилищем изрядного объема информации. Слишком маленькая клетка попросту не позволит ее вместить.1,2 И в-третьих, маленькие клетки непременно будут непозволительно чувствительны к колебаниям температуры, они попросту будут погибать от этих флуктуаций. Итак, слишком маленькой (меньше микрометра) клетка быть не может.

Но она не может быть и слишком большой. В противном случае она будет расплющена, искорежена силой тяжести. Дело в том, что поверхностное натяжение клеток сравнительно невелико, и уже миллиметровая клетка будет неизбежно, заметно деформирована гравитацией.1 То есть, в принципе, большие клетки могли бы быть жизнеспособны на Луне, где тяготение послабее. А вот «плавающие» клетки: водоросли и желток яйца могут и вымахать в размере, потому что Архимедова сила, компенсирующая тяготение, позволяет им разрастаться.

Но, на самом деле, живая клетка не может слишком уж разрастись и на Луне. Дело в том, что жизнедеятельность клетки управляется энзимными циклами. Характерное время каталитических циклов, проводимых энзимами, достаточно велико (около секунды). Простой подсчет показывает, что клетка с размером в микрон может споро управляться сотней энзимов. А вот управлять химией больших клеток неизмеримо сложнее. И реагировать на внешние возбуждения она будет несравненно медленнее, ставя под сомнение ее жизнеспособность. Так что помимо физических еще и химические обстоятельства (скорость химических реакций) ограничивают размер живых клеток.1

Итак, клетки не могут быть ни слишком большими ни слишком маленькими. Но так или иначе, живая клетка — объект макроскопический. Клетки содержат жидкости (Александр Воронель любит говорить: все живое — мокрое). А значит, в клетках неизбежно идут диссипативные, необратимые процессы.2 К тому же, временные шкалы, на которых происходят процессы переноса и релаксации сильно разнесены.1 Все это сильно способствует необратимости процессов, идущих в живых клетках.

Я набрался окаянства предположить, что именно в этом обстоятельстве и кроется «стрела времени», столь занимавшая ученых в последние триста лет. «Всему живому — умереть», как сказано в «Пиркей Авот». То есть в неживой природе, в специально приготовленных условиях обратимые процессы возможны, а в живой — нет (разве что, возможна сухая, бесклеточная жизнь). Если смотреть на всю Вселенную, как на живой организм, то и ее судьба необратимо печальна.

* * *

Теперь, несколько строк чистой философии. Характерный размер живой клетки решительно определяет наше восприятие мира. Диаметр человеческого волоса — сотня микрон. Объект размером в десять микрон наш глаз уже не различает. Живую клетку глазом не увидишь; нужен микроскоп. Человеческое тело мы воспринимаем невооруженным глазом целостно. Мистическое представление о том, что человеческое тело — микрокосм, в который проецируется макрокосм, Вселенная, не в последнюю очередь, покоится на том, что наше тело охватывается взглядом целиком. А между тем, микрокосм живой клетки безмерно богат, и, быть может, тоже представляет собою миниатюрную модель мира.

Отметим примечательную асимметрию в способности нашего глаза различать большие и малые предметы. Наш глаз может видеть звезды, но не может видеть микробов. Но хочется думать и о малом, и мы размашисто и привычно ошибочно переносим наши представления, почерпнутые из мира «большого» в мир «малого». Именно поэтому, квантовая механика столь странна, парадоксальна и вызывает жесткое психологическое сопротивление. Именно поэтому, «малое», неразличимое нас страшит грознее «большого». Звезды вызывают восторг, а вирусы — ужас. Новый Кант, восторгавшийся «звездным небом над нами», не восхитится жизнью в клетке. Вполне ужасно — неведомое невидимое.

___

  1. Ed. Bormashenko, A. Voronel, Spatial scales of living cells and their energetic and informational capacity, European Biophysical Journal, 2017, https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs00249-017-1267-x
  2. Ed. Bormashenko, A. Voronel, Spatial scales of living cells, their energetic and informational capacity and the origin of the arrow of time, arXiv:1705.04184
Print Friendly, PDF & Email

31 комментарий для “Эдуард Бормашенко: Жизнь в клетке

  1. Я, конечно же, обратил внимание на это скромное: «убогой», но это слово применимо скорее ко мне, чем к Вам. А парадокс ситуации в том, что этот «убогий» сказал вслух: «король-то голый», и, разумеется, к нему отнеслись именно как к убогому.

  2. Ну что может сделать светская часть населения с законами природы, которые говорят: да, Бог, как бесконечный Источник информации-законов природы, есть? Поартачатся некоторое время, но потом всё равно признают эту реальность.

  3. Уважаемый Эдуард! Причём здесь я. По-моему, существуют и действуют законы природы. Это они виноваты.

  4. Бормашенко-Брейтерману.
    Уважаемый Хаим, допустим вы открыли седьмое доказательство бытия Б-жьего. Я вот только не могу взять в толк, отчего Вам так хочется убедить в нем светскую часть населения Израиля? Ее ведь не убедит ни седьмое, ни семьдесят седьмое, ни семьсот семьдесят седьмое. Процитирую своего великого Учителя и Мастера, Александра Владимировича Воронеля: для светского человека Б-г не столько невозможен, сколько интеллектуально нежелателен. А от себя добавлю — неудобен. Хаим, Вы с этим ничего не сделаете. Это же очевидно.

  5. Частное исследование размеров клеток побуждает сделать некоторые общие выводы:
    1.Все клетки созданы и построены по законам природы, они — «хранилища информации».
    2. Все законы природы — это информация, а у любой информации есть источник.
    3. Следовательно, у информации-законов природы есть Источник.
    4. Этот Источник и есть БОГ, не имеющий изображения.
    5. Из этого следует, что светский мир совершенно без религии с её атрибутами, ритуалами… неизбежно признает реальность Бога, как бесконечного Источника информации-законов природы. И уже в этом столетии в человеческом обществе произойдут великие социальные преобразования, основынные на едином общественном мировоззрении, на мировоззренческом соединении светских и религиозных людей и ведущие к осознанному созданию единой, научно-управляемой системы «человечество».

    1. Уважаемый Хаим! Предлагаю посмотреть на доказательство реальности существования Бога Торы и талмудов с другой стороны. Бог невыразим и непредставим. Он живой — то есть, действующий. Oн демонстрирует свое присутствие во всем, неизмеримо выше всех своих частных проявлений, и не сводится ни к одному из них. Не кажется ли вам, что это описание всеобщего принципа причинности? С этой точки зрения, Бог как принцип причинности является источником информации и законов природы. И одновременно не требует веры в себя, и не нуждается в поклонении.

  6. Бормашенко — Gregory.
    Любая теория работает в определенных пределах. Научной является теория, которая в принципе может быть опровергнута (К. Поппер).
    Точка, не ложащаяся на кривую, сообщает нечто важное о самой кривой (А. Воронель, И. М. Лифшиц, Я. Е. Гегузин). Я был поражен тем, что именно это утверждает и Талмуд. Экспериментальная точка, выпадающая из закономерности сообщает нечто существенное о самой закономерности. Так меня учили Александр Владимирович Воронель и Яков Евсеевич Гегузин. Тому же учили Ландау и Лифшицы. Очень квалифицированные ученые. Поменьше категоричности, Gregory, поменьше.

    1. Gregory -> Бормашенко.
      «Точка, не ложащаяся на кривую, сообщает нечто важное о самой кривой» — вот видите, я ведь говорил, что Вы это знаете. Теперь — что же именно эта точка сообщает? Мне кажется, ответ очевиден — она сообщает, что надо придумать другую кривую. Никакой здесь мистики нет, и вопрос о размере клеток — без исключений — к философии вряд ли применим. А насчет категоричности — я лишь сообщал и повторял известные факты, а они всегда категоричны.

  7. Если учёный, изучая клетку, приходит к выводу, что реально существует Бог, как бесконечный Источник информации-законов природы, то это значит, что светский мир любой нации может признать реальность такого Бога без религии, без её атрибутов, её ритуалов… и, если вера в Бога в одной голове прекрасно сочетается с наукой, значит это возможно и на уровне общества. И, на мой взгляд, такому учёному следует помогать такому ходу развития общества.

  8. Уважаемый Хаим, с моей убогой точки зрения: Ваш ответ нарушает заповедь: не упоминай имя Б-жие всуе. Если мы можем объснить нечто в мире природы (я подчеркиваю в мире природы, и только), не говоря при этом: так Б-г повелел, мы обязаны это сделать.

  9. Почему клетки не могут быть ни большими, ни маленькими? Мой ответ: потому что есть Бог и таков «Его» ЗАМЫСЕЛ. Верен ли мой ответ?

  10. Бормашенко — Елена Бандас
    Елена, спасибо за дельное замечание. Буду думать. Эд.

  11. Бормашенко-Ноткину
    Думаю, Вы правы. Об этом плодотворно думал, светлой памяти Валентин Федорович Турчин в \»Феномене Науки\». Вы правы, налицо иерархия размеров.

  12. Бормашенко-Брейтерману
    Уважаемый Хаим, теологические выводы я оставляю за читателем.

  13. Бормпшенко — Install-ru
    Тепрь о временных шкалах. В живой клекте характерное время диффузионного traffic много больше характерного времени массопереноса, которое в свою очередь много больше веремени вязкой диссипации , т.е. переноса импулься (порядковые оценки приведены в статье). Разброс этих времен очень способствует необратимости процессов в любой термодинамической системе (об этом была прекрасная серия статей Gillmor, в частности показывающая, как их этого разброса возникает принцип ле-Шатель-Брауна).

  14. Бормашенко — Install-ru
    Уважаемый Коллега, вначале несколько общих замечаний. На мои рамышления решительно повлияла замечательная статья Weisskopf V., On Atoms, Mountains and Stars: A study in Qualitative Physics, Science, 1975, 187 (4177), 605-612. В этой статье Виктор Вайскопф поставил замечательный вопрос: а почему плотности конденсированных фаз (твердых тел и жидкостей) так слабо отличаются. Отличаются конечно, но не многие порядки величин. И ответил на этот вопрос, привлекая глубочайшие соображения, уходящие корнями в основания квантовой механики. Признаюсь, на мой стиль мышления эта статья повлияла самым непосредственным образом. Лет десять тому назад мне довелось поставить и ответить на вопрос: а почему поверхностные натяжения органических жидкостей столь слабо различаются? Обращение к живой клетке было более чем естественным. В работе над статьей мне не хватало помощи биолога и биохимика. Я пытался заинтересовать постановкой задачт наших биологов, но им задача показалась неинтересной и бесперспективной. Сказывается различие стилей мышления физиков и биологов. Сказывается. Теперь, по существу. Почему клетки выдерживают центрифугирование? Потому же что мы не чувствуем атомосферного давления. Это все шутки закона Паскаля. Водная среда и закон Паскаля многое делают возможным. Мне так кажется. Еще раз спасибо за комментарий. Эд.

    1. Спасибо Вам, Эдуард. Ваши заметки и эссе «провокативны» в самом лучшем смысле. Я далеко не всегда согласен (и чаще не понимаю), но задуматься это заставляет. Вот еще: я сегодня задал Ваш вопрос первокурснику биофака: почему размеры клеток распределены в некотором узком интервале. Не успел договоритЬ, как получил следующий ответ: это же очевидно (это была цитата:-)! соотношение внешней поверхности и объема! клетка получает нутриенты и обменивается энергией через мембраны, и в слишком большой клетке поток, помноженныи на поверхность, недостаточен для существования ее объемной части. (кстати, навевает множество разнообразных и противоречивых аналогий — СССР, «клетка», «самодостаочност» и отсутствеи обмена…:-)).

  15. Gregory, прочитайте, пожалуйста обсуждаемый текст, там написано:
    «Одноклеточная многометровая водоросль Acetabularia mediterranea имеет радиус сечения порядка все той же сотни микрон.»
    И объяснено, посему это возможно. Эд.

    1. Прочитал. Там написано: «Очень большие и очень маленькие живые клетки — редки. Исключения из общего правила — примечательны. Одноклеточная многометровая водоросль Acetabularia mediterranea имеет радиус сечения порядка все той же сотни микрон. Замечательный «выброс протяженности» доставляет и одноклеточный сантиметровый желток яйца. Все эти исключения из правила, как учит нас Талмуд, рассказывают не о себе, но более о самом правиле.»

      То есть Ваше объяснение — ссылка на авторитет Талмуда. Научный же подход должен быть таким: если моей теории противоречит хоть один факт, теорию надо менять. Или указать, что она работает только в определенном диапазоне параметров (как, впрочем, и всякая теория). Но тогда не надо на ее основе делать общефилософские выводы.

      Об о всем этом Вы, как действующий научный работник, знаете на хуже меня.

  16. Уважаемый Эдуард!
    Вопрос бывшего технаря.
    Вы не думаете. что соотношение микро размеров клеток с макро размерами видимого человеческого и не только человеческого живого организма, разрешает реализовать принцип колоссальной избыточности, который позволяет создать с одной стороны исключительно «умные», а с другой гибкие и очень надежные системы?
    На этом принципе построены СБИСы, на основе которых человек пока что тщится, создать искусственный интеллект.
    Что Вы как физик ,для которого привычными являются еще меньшие . чем у клеток, размеры атомов и микрочастиц думаете по этому поводу.

  17. И ещё вопрос к Вам, как учёному и религиозному человеку.
    Вы справедливо пишете, что клетка должна быть хранилищем информации. Она и есть хранилище информации. Но откуда эта информация взялась? От тех химических соединений, из которых клетка создана. А хим.соединения созданы из молекул, а молекулы — из атомов и т.д.
    Значит , информация, содержащаяся в клетке, содержится в тех элементарных частицах, из которых создан наш Мир. А где источник этой информации? Не должны ли мы с научной необходимостью постулировать реальность исходного бесконечного Источника информации, названного иудаизмом бесконечным БОГОМ, не имеющим изображения?

  18. Предположение биолога по теме. В процессах внутриклеточного дыхания в митохондриях образуются молекулы АТФ, при расщеплении макроэргических связей которых выделяется энергия. Последняя необходима для обеспечения жизнедеятельности самого организма – биосинтезов, транспорта веществ через мембраны и внутри клетки, для работы ферментов – например, лизосом, расщепляющих питательные вещества, для клеточного деления и выполнения клеткой её функции – рецепторной, сократительной, проводящей… Однако часть энергии выделяется вовне – в виде теплового, электромагнитного, светового излучений. Чем крупнее клетка, тем больше поверхность излучения энергии наружу, тем скуднее энергообеспечение внутриклеточных процессов. Таков, кстати, и фактор, ограничивающий рост живого организма: с большей поверхности – интенсивнее энергетические потери.

  19. Бормашенко-Брейтерману
    Хаим, примерно так видели эволюцию рав Кук и Тейяр-де-Шарден.

    1. Уважаемый Эдуард, Вы, к сожалению, не ответили на мой вопрос. Я хотел выяснить, видите ли Вы связь между размером систем и ЗАМЫСЛОМ, механизмами реализации Замысла? Заметили ли Вы закономерность УВЕЛИЧЕНИЯ среднего РАЗМЕРА систем и связь этой закономерности с размерами систем каждого уровня структурной организации вещества : нуклоны > кварков, ядра > нуклонов, атомы > ядер и т.д. ?

      1. Мой коммент. получился корявый потому что я никак не могу приноровиться к правилу комментирования,. Комменты не публикуются в нужном мне размере.

  20. Бормашенко Install-ry. Огромное спасибо за великолепвый разнос по существу. Прекрасно. Отвечать буду после Субботы. Комментарий на «ять»

  21. Все таки расширим интервал размеров. Для того, чтобы быть более менее уверенным, что вода не содержит микроорганизмы, ее нужно фильтровать через 0.2 микрон фильтер, иными словами речь идет о 100-200 нм, по крайней мере, в одном измерении. Это нормальная микробилогическая практика. Размер бактерий вполне может достигать 100-200 нм, причем 10 нм будет занимать лишь толщина мембраны. К примеру, размер такого белка, как альбумин, с учетом гидратации, 10 нм. Сколько нужно молекул белка, чтобы клетка «фунциклировала? Одна? Ясно, что размер в 10 нм не реалистичен для клетки, слишком мало, чтобы содержать даже один средний белок. (с другой стороны, 100 нм — это критический разнере для многих пористых сред, например, ассоциированных с ролью кривизны поверхности, появлением гистерезиса в адсорбции-десобции). Вот и граница снизу — 100 нм, она диктуется прежде всего размерами функциональных макромолекул, которюе, мы надеемся, будут хотя бы на порядок меньше размера «клетки». в которой они живут. С другой стороны, внутри клетки мешалки нет. Ее больший размер будет определяться соотношением диффузионной длины кислорода, газов, ионов, органических молекул в высококонцентрированном внутриклеточном растворе и скорости энзиматических реакций. В слишком большой клетке ее разные части будут вести себя существенно по разному. например, в клетке размером в 100 микрон, кислород будет диффундировать на всю длину в 3 секунды — время, сопоставимое с каталитической эффективностью химотрипсина. Цитируем автора: «Характерное время каталитических циклов, проводимых энзимами, достаточно велико (около секунды).» Вот вам и совершенно естественнюе ограничения в размере — соотношение скоростей внутриклеточных процессов, внутриклеточной диффузии и обмена со средой. Иначе, одна часть клетки будет насыщена кислородом, например, а другая — почувствует дефициент. И «отомрет» 🙂

    маленькие клетки непременно будут непозволительно чувствительны к колебаниям температуры, они попросту будут погибать от этих флуктуаций.»
    Первопричина — едва ли сам размер (разве в самой клетке флуктуации не будут прооисходить, в пространственных элементах, сопоставимых с размеров макромолекул? и почему они не мешают фунционированию энзимов и не нарушают структуру макромолекул? Нарушают. Но в конечном счете, небольшие нарушения, у большого числа макромолекул, — это то, что разрушает деятельность кооперативного концерта. Однако, для этого концерта необходим изначально большой состав участников…
    «Дело в том, что поверхностное натяжение клеток сравнительно невелико, и уже миллиметровая клетка будет неизбежно, заметно деформирована гравитацией»
    и почему и до какой степени это важно? мембраны ведь гибкие и эластичные. Клетки традиционно центрифугируют. 1000-10000 g — обычное дело. Могут выживат; и в X 500000 g центрифугирование. Что касается формы и поверхностного натяжения, клетки живут и функционируют на поверхностах, где они всенепременно меняют свою форму, строят себе биофильмы, выживают (не все) в сухих почвах; у них огромная сопротивляемость к изменению внешенй среды, и пока мембрана не порвана, могут выжуть. Что контролирует их способность эффективно функционировать — ограничения в транспорте и доступности субстрата.
    все живое — мокрое
    что такое живое? Микрооргаизмы, адсорбированные на почве, которая теряет влагу — живые?
    Более того — что такое «мокрое»? Сколько надо воды, чтобы заработали энзиматические реакции? В принципе, иногда практически не нужна вода как жидкость, достаочно воды, адсорбированноы в важных каталитических центрах (один из посетителей Гостевой мог бы лучше рассказать)
    «К тому же, временные шкалы, на которых происходят процессы переноса и релаксации сильно разнесены»
    ну да 🙂
    ««Всему живому — умереть», как сказано в «Пиркей Авот». То есть в неживой природе, в специально приготовленных условиях обратимые процессы возможны, а в живой — нет (разве что, возможна сухая, бесклеточная жизнь). «
    и что такое «жизнь»?  В конечном счете, клетка — это совокупность множества процессов, для каждого из которого «в специально приготовленных условиях обратимые процессы возможны», но когда их много, то, как в любом кооперативном процессе, можно легко попасть в «не то» состояние.

  22. Уважаемый Эдуард, шалом! Нет ли прямой связи между всеми «вилками» систем (размер, масса, внутреннее усложнение, «квантовая» энергия, кибернетика …) с самим Процессом структурного развития Вселенной, которое шло по схеме: ? — «элементарные» частицы — нуклоны — ядра — атомы — молекулы — химические соединения — клетки — организмы — …? ?

  23. Законы физики для биологических клеток могут быть совершенно другие !!!

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Арифметическая Капча - решите задачу *Достигнут лимит времени. Пожалуйста, введите CAPTCHA снова.