Наука | Научпоп

Несмотря на то, что у всех них одинаковый ДНК-код, клетки организма все разные, хоть все они получились из одной оплодотворённой яйцеклетки. Эта тотипотентная клетка стала делиться, дав начало клеткам «широкого профиля», которые называют плюрипотентными. Унипотентные потомки этих клеток получили твёрдую специализацию. Они дают начало только клеткам своего же типа.

Этот процесс можно обратить. Это случается естественным образом у некоторых организмов. А искусственным – продемонстрировал в 1958 году Джон Гёрдон, клонировав лягушку путём пересадки ядра из клетки кишечного тракта головастика в яйцеклетку с дезактивированным ядром. Это уже потом была овечка Долли. Гёрдон показал, что унипотентные клетки содержат один и тот же ДНК-код. Дифференцировка клеток – работа того самого вышестоящего уровня контроля. Кстати, несмотря на первоначальный энтузиазм, клонирование остаётся чрезвычайно неэффективной техникой создания потомства. Природа по-прежнему работает лучше нас.

Несмотря на то, что громадное большинство наших клеток специализировано, есть и плюрипотентные, которые мы называем стволовыми. Они позволяют нам регенерировать некоторые ткани. Да, вместо отрезанного пальца новый не вырастет, но потерю крови мы можем компенсировать. Степень плюрипотентности бывает разная. Костный мозг может делать только кровяные клетки, но не сможет произвести клетки печени. Однако эмбриональные клетки более гибки в этом смысле.

Учёные уже достаточно давно занялись поиском белков, регулирующих экспрессию генов и смогли установить несколько из них. Наконец, Синъе Яманаке удалось превратить взрослую специализированную клетку в плюрипотентную. Оказалось, что для этого нужно лишь четыре транскрипционных фактора. Не нужно больше ковыряться в эмбрионах, теперь мы сами можем делать стволовые клетки из обычных, которые называются iPS или индуцированными.

Транскрипционные факторы включают и выключают транскрипцию определённых участков гена, а сами они включаются и выключаются различными внешними стимулами. Они, таким образом, являются условным оператором клетки. Правда, операции эти далеко не всегда так просты и могут охватывать сразу несколько генов.

Сегодня мы знаем, что одним из самых распространённых средств выключения гена является метилирование (то есть добавка метиловой группы CH3) к основанию Ц (цитозин) в цепочке ДНК. В процессе развития клеток они метилируют свои ДНК в районе тех генов, которых они хотят выключить, и оставляют нетронутыми те участки, которые должны дальше работать. При этом узор метилирования передаётся клеткам-потомкам. Выключенные гены не включатся снова. Несмотря на то, что есть специальные ферменты, которые способны убрать метиловые группы и снова включить ген, многие эпигенетические изменения весьма устойчивы и даже могут передаваться между поколениями.

На самом деле всё ещё сложнее. Молекула ДНК не существует сама по себе, а окутана гистонами, образуя так называемых хроматин. Гистоны сжимают ДНК в компактную форму, позволяя ей поместиться в узком клеточном ядре.

Однако это сжатие порождает проблему: как добраться до нужного участка, чтобы прочитать его? Клетка делает это, помечая отдельные гистоны теперь уже не метиловыми, а ацетиловыми группами. Итак, ген можно выключить метиловой группой на цистеине, а включить ацетиловой на гистоне. И оба процесса обратимы. В процессе развития клетки эти пометки, накладываемые одна за другой, приводят к постепенной специализации клеток в различные ткани.

Какое это имеет отношение к нашему старению? Самое непосредственное. Калифорнийский профессор Стив Хорват открыл сильнейшую корреляцию между узором метиляции и возрастом человека. Он локализировал добрую полтысячу участков, которые могут предсказать не только смертность, но и риск рака, и период активной здоровой жизни, и риск Альцгеймера. Одним из самых экстремальных примеров влияния эпигенетики на продолжительность жизни могут служить пчелиные матки. Маткой может стать любая личинка, но специальный уход и питание даются не любому. Эти факторы создают специальный эпигенетический узор, что выражается в том, что матка может жить годы, в то время как рабочая пчела погибает где-то через полтора месяца.

Вопрос о том, как это работает, остаётся сложным. Похоже на  то, что эпигенетические процессы идут по расписанию. Включился ген – организм развился и оставил потомство, а что с ним потом случилось – эволюцию уже не интересует. Также выключение некоторых генов может предотвратить перерождение клетки в раковую. Да, состаришься и проживёшь меньше, но и не умрёшь раньше времени.

Можно ли при таких обстоятельствах отмотать время назад? Да! Это случается при каждом новом зачатии. У нас как минимум три способа сбросить генетические часы. Во-первых, путём сильных механизмов восстановления ДНК клеток зародышевой линии. Во-вторых, посредством строгой селекции яйцеклеток и сперматозоидов. И в-третьих, через стирание почти всех эпигенетических меток и добавление новых в оплодотворённой яйцеклетке, содержащей два про-ядра. Почти всех, но не всех. Что-то из эпигенетики достаётся от отца, что-то от матери. В этом свете автор удивляется, что клонирование вообще удаётся.

Но перепрограммирование клеток нам нужно не столько для клонирования, сколько для регенерации. С её помощью мы сможем восстанавливать повреждённые или даже утраченные органы, включая мозг. А что же это, если не омоложение?

Со временем испортиться может не только геном, но и белки в клетке. Они начинают работать неправильно, так что человек может получить Альцгеймера или Паркинсона. Или ещё нечто подобное. Мы уже знаем, что клетка может распознать дефекты ДНК. Дефектные или просто не нужные более белки она тоже может найти, чтобы после этого разобрать их на части. Первую линию защиты образуют шапероны, которые возвращают белкам их правильную форму. При более серьёзных нарушениях белок может быть помечен для разрушения убиквитином. Если не поможет, дело может дойти до замедления и сокращения производства новых белков, вплоть до саморазрушения клетки.

Убиквитин был обнаружен учёными уже полвека назад, но гигантский молекулярный аппарат, работающий по утилизации помеченных им белков, был открыт не сразу. Этот комплекс белков назвали протеасомой, и работает он как измельчитель мусора. Если с ним не всё в порядке (а он со временем начинает сбоить), то клетка заполняется ненужным барахлом, что и приводит нас в компанию к Альцгеймеру и ему подобным.

Протеасома не сможет, однако, измельчить особо крупный мусор. Но с ним справляется органелла под названием лизосома. Она и переваривает негабаритные макромолекулы в процессе аутофагии. Клетка оборачивает мусор специальными мембранами, называемыми аутофагосомами, и транспортирует их в лизосому на переработку. Этот хорошо отрегулированный процесс идёт непрестанно, ускоряясь при стрессе и голодании, а также при вторжении вируса или бактерии. Прояснить этот механизм и найти десяток генов, которые играют важнейшую роль при активации аутофагии удалось японскому биологу Ёсинори Осуми. Аутофагия происходит не только при проблемах, но и при нормальном развитии клетки, которое тоже производит мусор. Если она начинает сбоить, то сбоит и весь организм, получая рак, нейродегенеративное расстройство или ещё что-нибудь подобное.

Если этот механизм не справляется, клетка может вообще сменить программу производства белков в рибосомах, начав делать лишь стрессовые белки. Проблемы могут возникнуть, если стрессовый ответ клетки не только слишком слабый, но и слишком сильный. По результатам некоторых исследователей, удаление генов, включающих стрессовый ответ, позволило ослабить симптомы болезни Альцгеймера у мышей, включая потерю памяти.

Можно удивляться тонкой отладке клеточной регуляции. Тысячи белков должны работать согласованно для того, чтобы клетка функционировала нормально. И весь этот оркестр играет без дирижёра. Эта сложная сеть взаимодействия держится на специальных контрольных белках. Вы, наверное, догадываетесь, что происходит, когда сами эти белки начинают накапливать дефекты. Мы стареем.

Был такой доктор Гайдузек, который искал на Новой Гвинее причины болезни куру, которой болели некоторые племена. Ему удалось установить, что очень часто болезнью болели те, кто ели варёные мозги умерших родственников на поминках. Впоследствии ему удалось инфицировать экстрактом нервной ткани больных куру обезьян шимпанзе. Прошло много лет, прежде чем доктор Стенли Прузинер выяснил, что причиной болезни был особый патоген – обычный клеточный белок, принявший ненормальную конфигурацию. Он назвал его прионом. Подобно вирусам, прионы могут размножаться, хоть они и не живые. При контакте с незаражёнными белками, они побуждают тех сворачиваться в «свою» дефектную форму.

Куру или коровье бешенство трудно назвать болезнями возраста. Но всё же параллели с Альцгеймером идут глубже, чем можно было подумать. После исследования клеточных структур поражённых тканей удалось обнаружить агрегаты тау-белка, мешающие нормальной работе нервных клеток. Подозрения учёных только усилились после того, как обнаружилось, что пациенты с болезнью Альцгеймера имеют мутации в генах, связанных с тау-белком. Оказалось, что в этих накоплениях сложен тау-белок неправильной формы. Таким образом, по-видимому и болезнь Альцгеймера тоже вызывается чем-то подобным прионам. Однако никто ещё не продемонстрировал заразность Альцгеймера. Наверное потому, что мы не едим мозг больных деменцией.

Неприятная правда состоит в том, что мы всё ещё не можем эффективно лечить деменцию. Просто потому, что, подобно раку, она является не следствием внешнего воздействия, а того, что наши клетки сами выходят из-под контроля, и этот процесс может быть ускорен внешними факторами. И всё же, некоторые успехи уже есть...

Далеко не вся планета это уютные +25 °C. Тем не менее микроорганизмы живут и во льдах Антарктиды, и в обжигающих термальных источниках, и каждый прекрасно приспособлен к своему «климату». Многие гипертермофильные микроорганизмы относятся к археям - уникальным одноклеточным организмам, которые как и бактерии не имеют в клетке ядра. Рекордсменами среди термофильных архей являются Pyrolobus fumarii, оптимальная температура роста которой составляет 106°C, а выживаемость возможна в пределах до 113°C , а также Methanopyrus kandleri, верхний предел роста которой, как сообщается, составляет 122°C.

Конечно, и среди бактерий есть свои чемпионы. Особенно выделяется бактерия Geothermobacterium ferrireducens, найденная в горячих источниках Йеллоустонского заповедника. Она прекрасно живет и здравствует при температурах до 100 °C.

Почему обычные микроорганизмы боятся повышенных температур?

Чтобы понять, а как термофилы вообще стали такими адаптированными, нужно понять, почему клетка в принципе боится высоких температур. Две основные части клетки, которые очень неустойчивы к высоким температурам - это клеточная мембрана и белки.

Белок - это длинная цепь из аминокислот, которая сворачивается в строго определённую трёхмерную фигуру, и именно от этой фигуры зависят функции белка. Форму держат довольно деликатные «скрепки». Это водородные связи, ионные связи, гидрофобные взаимодействия и дисульфидные мостики.

Высокая температура - это, по сути, лишняя энергия, и из-за которой молекулы начинают двигаться более активно. Слабые связи - в первую очередь водородные, гидрофобные и силы Ван-дер-Ваальса, такой тряски не выдерживают и рвутся. Аккуратно сложенная конструкция расплетается, а вместе с формой белок теряет свое "рабочее" состояние.

А функций у белков в клетке превеликое множество. Белки-ферменты расщепляют и собирают питательные вещества, структурные белки строят "каркас" клетки, транспортные белки таскают ионы и молекулы через мембрану. Список можно продолжать очень долго. Но нам важно то, что при повышенной температуре белки разрушаются и все эти функции уже выполнять не могут. В итоге в клетке происходит коллапс и судьба ее печальна.

С мембраной картина не менее драматичная. Любая клеточная мембрана - это не твердая стена, а скорее очень густая жидкость. В ней молекулы-липиды стоят плотными рядами, прижавшись «хвостами» друг к другу. При нагреве эти хвосты начинают активно изгибаться и толкаться, а между молекулами появляются бреши. Мембрана буквально плавится и барьерные функции нарушаются. Как итог, клетка теряет контроль над тем, что в нее входит, а что выходит, и быстро погибает.

Кстати, клетки умеют немного подстраиваться. У разных липидов хвосты разной длины и формы. Одни прямые и плотно укладываются, другие с изломом и держатся рыхлее. Меняя состав мембраны, клетка регулирует её «плавкость». Среди молекул, помогающих сохранить стабильное состояние мембран, например, стеролы. Они вклиниваются между обычными липидами и работают в обе стороны. Когда жарко, не дают мембране слишком разболтаться, когда холодно - не дают застыть.

А что придумали экстремофилы?

Разный состав липидов работает до определенных температур, но при экстремально высоких уже нужны более интересные адаптации. У архей есть своя "фишка" - особые клеточные мембраны. Любая клеточная оболочка состоит из жироподобных молекул-липидов, но у архей эти липиды упорядочены иначе. Во-первых, их части соединены более прочным типом химической связи - эфирной (у обычных бактерий и у нас с вами связь сложноэфирная и она легче рвётся). Во-вторых, у самых термофильных архей мембрана устроена совсем хитро. Если у обычных клеток оболочка - это два слоя липидов, скреплённых лишь слабым притяжением, то у них все липиды просто находятся в одном слое. Расслоить такую мембрану сложно - отсюда и устойчивость к очень высоким температурам.

Картина красивая, но недавняя работа показала, что это не единственный способ адаптации. Выяснилось, что такая «сплошная» мембрана для жаростойкости вовсе не обязательна. У археи Methanopyrus kandleri - того самого рекордсмена, растущего при 122 °C, мембрана все таки может быть двухслойной. Но как же она тогда не разваливается при температуре выше точки кипения воды?

Ответ оказался довольно интересным. Ученые нашли внутри такой мембраны дополнительный слой из сквалана.

Сквалан располагается точно посередине мембраны, делает её прочнее и расширяет диапазон условий, в которых она сохраняет устойчивость. Проще говоря, эта молекула работает как наполнитель, закрывающий пустоты в середине и помогающий клетке выдерживать высокие температуры.

От науки к практике

Самый частый вопрос, который слышат ученые от общества - ну а какая практическая польза от ваших исследований? Все эти мембраны и белки - это, конечно, очень интересно, а мне что от этого? И вот от поиска и изучения термофильных организмов практическая польза огромная. Все дело в тех самых особенных белках.

Дело в том, что промышленные процессы нередко идут в условиях, абсолютно недружелюбных к обычным ферментам. Это в том числе и высокая температура, при которой обычные белки быстро разрушаются. Вот тут-то ферменты термофилов и оказались нарасхват. Сегодня они применяются в фармацевтике, производстве моющих средств, пищевой, текстильной, бумажной промышленности. Список на самом деле огромный, так что приведу лишь пару примеров.

Протеазы — это ферменты, которые расщепляют другие белки, и спектр их применения поистине огромен. Неудивительно, что микробные протеазы — одни из самых востребованных ферментов на свете. Сегодня на них приходится около 60 % всего рынка ферментов. Изрядная доля этого процента - стиральные порошки. На них приходится примерно 25 % мировых продаж ферментов. Такой фермент в порошке позволяет разъедать стойкие белковые пятна там, и при этом средство остаётся экологически безопасным.

Почему именно термофильные протеазы? Ну, во-первых стирка часто происходит при высоких температурах. При этом горячие источники ведь не ограничиваются одной только высокой температурой. Зачастую они еще очень кислотные или наоборот едко-щелочные. Поэтому белки местных микроорганизмов вынуждены быть стойкими сразу по нескольким фронтам. А именно такая устойчивость и нужна в моющих средствах, где хватает агрессивных компонентов.

В общем, если захотите интерактив, то можно поискать в магазинных порошках компонент, название которого заканчивается на -аза, это как раз и будут ферменты.

Ксиланазы и бумажная промышленность

Следующая группа ферментов - ксиланазы. Они нужны человечеству, поскольку могут разбирать на части гемицеллюлозную биомассу, главный компонент которой носит имя ксилан. Растения используют эти вещества как арматуру для своих клеточных стенок, а ксиланазы умеют ее разбирать.

Зачем это нужно? Расщепляя ксилан, ксиланазы высвобождают сахара - сырьё для целого набора промышленных продуктов: этанольного биотоплива, ксилита, промышленных растворителей и многого другого. А еще ксиланазы отбеливают целлюлозу в бумажной промышленности, улучшают усвояемость кормов для животных, идут в производство биотоплива, помогают пекарям сделать тесто более податливым, а пивоварам и производителям соков - осветлить мутный напиток до прозрачности. Ну фермент маминой подруги, не иначе.

А зачем именно термостабильные ксиланазы? Возьмем, к примеру, бумажную промышленность. Бумажная масса (пульпа) обрабатывается в щелочной и очень горячей среде. Поэтому ферменты, способные выдержать температуру около 90 °C и очень стойкие к воздействию щёлочи оказываются для этой отрасли явными фаворитами.

Амилазы и пиво

Следующая популярная в промышленности группа ферментов - амилазы. Их работа - расщеплять крахмал, который является полисахаридом, на простые сбраживаемые сахара вроде глюкозы и мальтозы. Дрожжи не умеют сбраживать длинные и сложные молекулы крахмала, так что задача амилазы - "порезать" крахмал на глюкозу и вот за нее уже дрожжи возьмутся с энтузиазмом и смогут превратить в этанол.

Кстати, амилаза есть и у нас во рту, а если быть точным - в слюне. Именно поэтому древние рецепты ферментированных напитков иногда включали этап разжевывания зерна и сплевывания получившейся смеси назад. Так, например, получали напиток чича инки и ацтеки.

К счастью, сегодня мы можем добавлять амилазы, наработанные биотехнологическим путем и плевать в стакан больше не нужно.

Но зачем нужны термостабильные амилазы? Во-первых, при высокой температуре крахмал расщепляется быстрее. А во-вторых, и это особенно важно, высокая температура это барьер для загрязнения сусла вредными микроорганизмами. Меньше риск таких попаданцев, стабильнее и выгоднее производство, вкуснее пиво (но это не точно).

А как, собственно, добыть белок?

Хорошо, мы поняли, зачем нужны термостабильные белки. Но как получить их в количествах, которых требует промышленность? Выращивать сами термофильные бактерии - задачка со звездочкой. У многих из них ну очень специфические требования к среде, угодить которым в заводских масштабах непросто. К счастью, сегодня в этом и нет необходимости.

Сегодня большинство термостабильных белков получают биотехнологическим путём. Инструкция, как должен «выглядеть» белок, записана в ДНК организма — в его генах. В простейшем случае один ген кодирует один белок, а значит, достаточно перенести этот ген в более удобный организм и наработать нужный белок уже в нём. Любимый «цех» биотехнологов - это кишечная палочка Escherichia coli. Она неприхотлива, размножается с космической скоростью и потому позволяет получать белок в больших количествах. И кстати нет, те кишечные палочки, которые используют в биотехнологических производствах не патогенны, то есть не представляют для нас опасности.

Но самое интересное, что сегодня нам даже не нужно выделять сам термофильный микроорганизм, чтобы добыть нужный ген. Можно вытащить нужный ген прямо из кусочков ДНК, найденных в окружающей среде, например почве, и перенести его в клетки удобного организма — например, всё той же кишечной палочки.

Свежий пример: в одной из недавних работ учёные получили гипертермостабильную целлюлозогидролазу - фермент, который превращает целлюлозу из растительных клеточных стенок в простые сахара. Нужный ген нашли в ДНК, выделенной из горячих источников, поместили его в клетку E. coli и наработали белок, работающий даже при 95 °C. И хоть бактерия, из которой получен ген, остается неизвестной, термостабильный белок из нее уже применяется на практике.

«Таковы законы природы» — не ответ.

Поэтому давайте попробуем разобраться.

Глава 1. Как материя учится усложняться

Мир, который не лежит на месте

Высыпьте на пол коробку конструктора. Детали рассыпались. Сколько ни жди — они так и будут лежать. Никакой домик сам собой не построится.

Это нормально. Это — то поведение мира, к которому мы привыкли: оставленное в покое — остаётся в покое.

А теперь представьте Вселенную, где детали сами собираются в домики. Домики — в кварталы. Кварталы — в города. Без чьего-либо участия.

Звучит странно. Но именно это и происходит вокруг нас почти четырнадцать миллиардов лет.

Известно, что когда-то был Большой взрыв, и всё разлеталось из горячего плотного состояния. Но если бы только разлеталось, то никаких сложных конструкций не возникло бы, всё рассеялось бы в холодную пыль. А мы существуем. Вокруг нас планеты, океаны, бактерии, книги. И кошка на подоконнике.

Значит, в нашей Вселенной не всё разлетается во все стороны. Значит, происходит что-то ещё. Где-то что-то концентрируется, уплотняется, стягивается... В одних местах вещества становится меньше, но в других — больше. И всё интересное именно в этих сгущениях и происходит.

Лестница вниз и пустота наверху

В школе нам объясняли так. Всё состоит из молекул. Молекулы — из атомов. Атомы — из элементарных частиц. Это лестница вниз. Логичная, последовательная: каждая ступенька состоит из объектов предыдущей, помельче.

Но если есть лестница вниз — должна быть и лестница вверх. От молекул вверх — что?

Молекулы должны складываться во что-то крупнее — в какие-то супермолекулярные штуки. А те — во что-то ещё крупнее. И так до самого верха — до звёзд и галактик.

Но это не так.

Чем выше по этой лестнице — тем страннее становится картина.

Молекула — ещё чёткая конструкция из конкретных деталей.

А вот планета уже совсем не похожа на «огромную молекулу».

А звезда — тем более.

Звезда вообще не похожа на молекулу. Она даже устроена принципиально иначе.

И галактика не состоит из звёзд так же, как молекула состоит из атомов. Молекула воды — это два чётких атома водорода и такой же чёткий атом кислорода в строгом порядке. А галактика — это сотни миллиардов звёзд, которые рождаются, летят, взрываются, умирают... Заберите оттуда хоть миллион звёзд — никто и не заметит.

Получается, что мир устроен не как одна большая матрёшка… А как две разные матрёшки?

Почему так?

Два типа объектов

Возьмём атом и звезду и присмотримся.

Атом — несколько частиц на своих местах. Ядро в центре, электроны вокруг. Уберёшь протон из ядра — это будет уже совсем другой атом, с другими свойствами. Потому что это конструкция из небольшого числа деталей, собранных по жёстким правилам.

А звезда — это огромное количество частиц, которые носятся и перемешиваются. И никаких своих «мест» у этих частиц нет. Они сталкиваются, излучают, поглощают, разлетаются.

Это не «разные размеры».

И не «разные стадии сложности».

Это два принципиально разных типа объектов.

Одни собраны жёстко, сильно и точно. Из небольшого числа деталей. Уберёшь деталь — конструкция меняется или разваливается. Атом, молекула, ядро атома.

Другие связаны мягко, слабо, статистически. Из огромного числа компонентов. Уберёшь сколько угодно — никто не заметит. Звезда, галактика, скопление галактик.

И раз эти типы так непохожи — так и складываются они, наверно, по-разному?

Два процесса

И, правда.

Первый процесс — сборка. Несколько маленьких деталей соединяются по жёстким правилам в одну новую конструкцию. Несколько кварков складываются в нуклон — протон или нейтрон. Несколько нуклонов складываются в атомное ядро. Ядро вместе с электронами образует атом. Несколько атомов соединяются в молекулу.

Из нескольких малых — одно большое новое. Точная сборка из конкретных деталей по строгим правилам.

Второй процесс — концентрация. Большая разрежённая среда уплотняется в локальных местах. Из одного большого и разрежённого получается много малых, но более плотных. Облако пара → капли воды на холодном стекле. Большое облако газа → отдельные сгустки в нём.

В одной большой группе  появляется много малых, но более тесных. Без жёстких правил, без конкретных деталей. Просто гравитация или другая сила, собирающая вещество в одном месте.

Два процесса с противоположной геометрией. Один объединяет несколько в одно. Другой разделяет одно на много.

Как они работают вместе

По отдельности эти два процесса значат мало.

Если есть только концентрация, то получим лишь бестолковые сгустки. Просто какое-то скопление в одном месте. Если внутри этого скопления ничто не взаимодействует друг с другом — оно так и останется глупым сгустком. Ничего интересного.

Если есть только сборка — подходящие детали просто не встречают друг друга. В пустом пространстве атомы не находят себе партнёров. Молекулы там не образуются.

Но вместе эти процессы работают! И вот как.

Концентрация сводит детали в одно место. Когда плотность доходит до нужной отметки — детали начинают взаимодействовать. Включается сборка. Появляются новые конструкции с новыми свойствами.

И — это важно — эти новые свойства могут «возвратиться» обратно и изменить ту распределённую среду, в которой они появились.

Тёмный сгусток газа, в сердцевине которого пошёл термоядерный синтез, стал звездой. Он начал светить, греть, испускать вещество наружу.

Тёмное облако, в котором зажглись звёзды, стало светящейся галактикой. У неё появились потоки вещества и энергии, которых раньше не было.

Среда не остаётся прежней. Её меняют объекты, их которых она состоит.

Если коротко, то цикл такой: концентрация → сборка → новые свойства → среда становится другой. И в этой новой среде могут пойти следующие процессы концентрации, и всё пойдёт по-новой, но уже на более низком уровне.

Так строится лестница уровней мира.

Но возникает вопрос. Если процессы концентрации и сборки идут постоянно, то почему мир так однотипен?

Элементарных частиц открыто много разных. Электроны, мюоны, тау-частицы, нейтрино… целый зоопарк. А устойчивые атомы получились только из протонов, нейтронов и электронов. Где «атомы из мюонов»? Где «странные молекулы»?

Их нет.

Почему?

Правило выживших

Потому что выживают не все.

Сначала структура должна не распасться. Потом — просуществовать достаточно долго. Потом — встретить другие устойчивые структуры и суметь собрать с ними что-то новое.

И всё это повторяется на каждом следующем уровне.

Большинство возможных конфигураций такого фильтра не проходят. Что-то живёт миллионную долю секунды и распадается. Что-то живёт долго, но не находит партнёров. Что-то находит партнёров, но новая конструкция оказывается слабой и тоже распадается.

В итоге то, что мы видим вокруг — это очень узкая выборка из всего возможного. Только конфигурации, прошедшие весь фильтр на каждом уровне.

Мы видим только тех, кто прошёл.

Все остальные исчезли так давно, что от них не осталось даже следов неудачи.

Мир вокруг нас — не полный набор возможностей материи. Только выжившие варианты.

Сколько было неудачных попыток, могли ли среди них быть такие, которым просто не повезло? — Мы не знаем. Картина мира принципиально неполна.

Вот так и строятся уровни. В бесконечных попытках сохраняются только устойчивые — они и становятся исходным материалом для следующего уровня.

У каждого уровня — свои свойства

Лестница уровней — это не просто конструкция, в которой каждая ступенька крупнее предыдущей. Это конструкция, в которой каждая ступенька совсем другая.

Атом не светится так, как звезда. Атом может излучать отдельные кванты света, но никакого «света звезды» в нём нет.

Молекула воды мокрая. А отдельный атом водорода не мокрый. Не «не мокрый» — у него этого свойства просто нет. Мокрость появляется только тогда, когда молекулы воды собрались вместе.

Клетка живая. Молекулы, из которых она сделана, — нет.

Каждый новый уровень приносит свойства, которых не было у отдельных деталей. И вот в чём фокус. Эти новые свойства нельзя увидеть заранее, рассматривая части по отдельности.

И потому мир приходится описывать заново на каждом уровне.

Одна и та же материя ведёт себя по-разному в зависимости от того, как именно она организована. Из-за этого физика, химия, биология и теория общества говорят о разных типах закономерностей, хотя описывают один и тот же мир.

Теория работает хорошо на том уровне, на котором она была сформирована. Но она не может заранее предсказать свойства следующего уровня. Они появляются только тогда, когда новый уровень реально возникает.

Поэтому знание о мире всегда запаздывает относительно самого усложнения материи.

Я думаю, что иначе и быть не может.

Эсмион

Не всё, что есть в мире, играет роль в его усложнении.

Валун в лесу — есть. Он устойчив. Может пролежать тысячу лет. Но из валунов следующий уровень не строится. Они просто лежат — каждый сам по себе.

Атом — другое дело. Атом не просто есть. Он входит в молекулы. Молекулы — в клетки. Из них строятся следующие уровни.

Все объекты, попавшие в лестницу уровней мира, я буду называть одним коротким словом – «эсмион». Это слово составлено из «элемент структуры материи» плюс окончание -ион, как в «протон» или «электрон». Звучит немного непривычно, но оно понадобится дальше.

Атом — эсмион. Молекула — эсмион. Звезда, галактика, планета — эсмионы. А валун — нет.

Теперь, когда есть слова для главного – уровни, эсмионы, два процесса, выживание — можно посмотреть, как по этим принципам мог бы сложиться окружающий нас мир.

С самого начала.

Моё начало всего

Что-то когда-то произошло.

Мы называем это Большим взрывом.

Что именно скрывается за этим названием — до сих пор не вполне понятно. Современная космология предлагает разные картины начала Вселенной.

Мне ближе такая.

До того, что мы называем Большим взрывом, существовал какой-то сверхплотный объект. Не математическая точка, а реальная материальная структура — не важно каких размеров.

В какой-то момент эта структура потеряла устойчивость.

Она начала стремительно расширяться и одновременно разрушаться.

Так возникло расширяющееся пространство — то, что мы сейчас называем физическим вакуумом. Я полагаю, что он тоже материален, просто представляет собой предельно разрежённое состояние материи.

Но исходная структура распалась не полностью.

Часть её сохранилась в виде крупных плотных реликтов прежнего состояния. А другая часть превратилась в мелкие «брызги» вещества — из них позже сложатся атомы, звёзды, планеты и мы сами.

Что произошло дальше?

А дальше началась та самая самоорганизация материи, о которой я рассказываю в этой книжке.

Первая история: гравитационные каркасы

Когда исходный сверхплотный объект начал расширяться и разрушаться, его части не разлетались как независимые песчинки.

Они продолжали удерживать друг друга гравитацией.

Но теперь против этого притяжения работало расширение пространства.

И началось соревнование двух процессов.

Где тяготение побеждало — связанность сохранялась.

Где побеждало расширение — структура рвалась и растаскивалась.

В результате исходная структура не исчезла полностью. Она словно растянулась и местами порвалась.

Самые массивные узлы этой древней сети позже стали сверхскоплениями галактик.

Между ними вытянулись гигантские нити из тех же реликтов — космические филаменты. Здесь соседние узлы-сверхскопления тянут их каждый в свою сторону.

А менее устойчивые области постепенно редели и превращались в огромные пустоты.

В моем представлении современная структура Вселенной — это не поздняя сборка из хаоса. Это следы древней системы, которую расширение растянуло и частично разорвало.

Причём разные масштабы вели себя по-разному.

Небольшие связанные области успевали стабилизироваться сравнительно быстро. А самые огромные структуры оказывались слишком большими: расширение Вселенной постепенно начинало растаскивать даже их.

Поэтому сверхскопления и выглядят не как компактные объекты, а как рыхлая недособранная сеть.

На меньших масштабах внутри этой огромной сети сохранялись локальные гравитационные узлы — заготовки будущих галактик.

В центре такого узла находился наиболее массивный реликт. Вокруг — более мелкие спутники и область, куда позже начнёт стекаться вещество.

Такие структуры я называю галактическими каркасами.

Сам по себе этот каркас ещё почти пуст.

Звёзд ещё нет.

Планет ещё нет.

Химии ещё нет.

Но геометрия будущего мира уже расставлена.

Возможно, именно эти сохранившиеся гравитационные каркасы мы сегодня и воспринимаем как проявления тёмной материи. Сами по себе они почти невидимы.

В итоге первой истории получается готовый каркас Вселенной — огромные гравитационные ловушки.

Вторая история: первичный микромир

Параллельно с формированием гравитационных каркасов шли процессы совершенно другого масштаба. Из мелких брызг — или из чего-то ещё, чего мы уже не узнаем — начинали складываться первые элементарные частицы.

Какие именно? Точно никто никогда не узнает. Для «красоты картины» можно считать, что первыми появились нейтроны — нейтральные частицы, не разлетающиеся друг от друга из-за электрических зарядов. Это удобная общая заготовка.

По мере того, как Вселенная разрежалась и остывала, часть нейтронов претерпевала бета-распад. Нейтрон распадается на протон, электрон и нейтрино. Так из общей заготовки получились те самые частицы — протон, нейтрон, электрон, — из которых складывается вся знакомая нам химия.

Дальше пошла настоящая сборка. Несколько нуклонов сцепляются — получается атомное ядро. Самые лёгкие — ядра водорода и гелия, чуть-чуть лития. Электроны пока носятся отдельно: ещё слишком жарко для атомов.

И только когда Вселенная остыла достаточно — электроны притянулись к ядрам, и получились первые атомы. Лёгкие, простые, разлитые по всему пространству.

Это всё — работа первой линии. Сборка снизу вверх. Несколько малых — в одно большое.

В итоге второй истории — лёгкие атомы, готовые ко всему дальнейшему.

Третья история: их встреча

А потом результаты первых двух историй стали взаимодействовать.

Каркас готов. Гравитационные ловушки расставлены по всему объёму Вселенной. Они невидимы, но тяжелы.

Вещество готово. Лёгкие атомы разлиты по всему пространству.

Гравитация делает своё дело: атомы начинают втягиваться в гравитационные ловушки каркасов.

Внутри каркаса плотность газа повышается. Не равномерно — местами больше, местами меньше. Появляются молекулярные облака — области с особо высокой плотностью газа. Внутри облаков плотность ещё выше. И вот в этих особо плотных местах образуются отдельные сгущения — зародыши будущих звёзд.

Смотрите, что происходит: идёт последовательная концентрация. Каждый шаг — выше плотность, чем на предыдущем. Каркас плотнее, чем Вселенная в среднем. Молекулярное облако плотнее, чем каркас в среднем. Звёздное сгущение плотнее, чем молекулярное облако в среднем.

И в какой-то момент в сердцевине сгущения плотность доходит до отметки, при которой ядра атомов начинают сплавляться. Запускается термоядерный синтез.

И здесь снова начинается работа первой линии — сборки. Из лёгких ядер делаются тяжёлые: углерод, кислород, кремний, железо. Всё разнообразие элементов таблицы Менделеева происходит отсюда.

И эта термоядерная сборка меняет всё.

Тёмный сгусток газа становится звездой. Он начинает светить, греть, испускать вещество.

Тёмный каркас, в котором зажглись звёзды, становится привычной нам галактикой. У него появляются потоки энергии и вещества, которых не было.

То есть встреча двух историй порождает не просто что-то новое. Она меняет и сам каркас — он перестаёт быть тёмным. Он сам стал другим из-за того, что в нём появилось.

И теперь у нас есть всё нужное для следующего уровня.

Планета

Звёзды живут и умирают.

Звезда первого поколения, рождённая из чистого водорода и гелия, в течение жизни производит у себя в сердцевине всё разнообразие элементов. А когда умирает — взрывается как сверхновая или медленно сбрасывает оболочки — выбрасывает все эти тяжёлые элементы обратно в галактику.

Они обогащают межзвёздную среду. Из обогащённой среды формируются газовые облака следующего поколения. В них рождаются новые звёзды. И эти новые звёзды уже содержат всё разнообразие элементов.

Получается, что галактика живёт. Не в переносном смысле. Звёзды рождаются и умирают, и каждое следующее поколение богаче предыдущего. Так и появляется всё разнообразие атомов — через смерти и рождения звёзд.

И где-то в этой цепочке однажды появляется поколение, у которого хватает разнообразия материала для следующего уровня.

Вокруг новорождённой звезды собирается диск вещества. Из него постепенно слипаются планеты. Это снова концентрация — но теперь концентрируется уже не водород с гелием, а сложное вещество с богатой химией.

Планета — не просто холодный каменный шар. Внутри неё расплавленное ядро. Мантия медленно движется. Тектонические плиты сталкиваются. Атмосфера живёт своими процессами. Сквозь всё это идёт энергия — снаружи от звезды, изнутри от радиоактивного распада.

И вот это — поток энергии — важнее всего.

Холодная и спокойная планета мертва. Не в смысле «без жизни», а в смысле «без событий». Холодное вещество пришло к равновесию. Все молекулы замерли. Реакции прошли. Всё лежит.

А когда сквозь систему идёт энергия — могут существовать сложные неравновесные конструкции. Такие, которые сами по себе развалились бы. Но энергия их подкачивает, и они держатся.

Возьмите пламя. Его нельзя заморозить и сохранить. Пламя существует, только пока в него поступает топливо. Это не вещь, это процесс.

На планете, через которую постоянно течёт энергия, могут возникать структуры, которые нельзя «сложить и оставить». Они держатся только, пока через них проходит поток энергии. И однажды некоторые из таких процессов начинают удерживать себя сами.

Именно здесь начинается следующий уровень материи.

Об этом следующая история.

Следующая глава 2 здесь Книга "Почему мир такой сложный? или Логика усложнения" - 2

Регламент ЕС, позволяющий использовать технологию CRISPR-Cas в сельском хозяйстве, объединение фермеров Голландии LTO Nederland назвало «историческим прорывом для сельского хозяйства», 17 июня сообщило издание Nieuweoogst. ИА Красная Весна

Регламент по выращиванию растений позволит аграриям разрабатывать и выращивать генетически модифицированные организмы (ГМО) с использованием технологии CRISPR-Cas. Скорость получения новых сортов значительно увеличится, что в свою очередь позволит снизить применение средств защиты растений.

Особенно привлекательна технология модификации генома для производства «органических» продуктов, где нельзя химические препараты использовать, пояснили в LTO. Отслеживаемость продукции позволит покупателям сделать осознанный выбор, отметили в организации.

Производители «органических» продуктов отнеслись к новому регламенту скорее негативно, поскольку все аграрии стремятся исключить ГМО из своей продукции. «В органическом производстве будет трудно полностью исключить загрязнение генной инженерией», — сообщил генеральный директор кооператива органических продуктов питания Odin Мерле Кооманс ван ден Дрис.

Производители «органической» продукции сообщают о рисках нежелательного перекрестного опыления.

«Долгие годы объяснений, обоснований и обсуждений привели к появлению рамочной программы, с которой мы можем двигаться вперед. … Европа сможет догнать развитие остального мира», — сообщил директор селекционной компании Plantum Михиэль Кломпенхауэр.

Объединение Copa-Cogeca поддержало принятый регламент, назвав его «важной вехой, открывающей двери для нового поколения сортов сельскохозяйственных культур в европейском сельском хозяйстве». Новая система полностью вступит в силу в течение следующих двух лет

Учёные, работающие с дрозофилами, используют проницаемость кишечника для объективного измерения старости. Можно скормить мушке синий краситель: у молодой он не пройдёт стенку кишечника, а чем старше дрозофила, тем больше красителя попадёт в организм. Совсем старые мушки становятся синими и официально называются смурфиками. Есть даже научная статья с названием «Как поймать смурфика» и шкалой смурфиковости дрозофил

Смурфики сильно помогают науке, позволяя изучать как разные воздействия влияют на старение. Например, если мушки дышат сигаретным дымом или плохо питаются, старость наступает раньше, а смурфиков в таких группах становится больше

Это ведь в теории и к человеку применимо. Кто первый напишет грант по изучению смурфиков? Хотя предлагаю сделать ребрендинг в «аватаров», тогда есть шанс, что исследование проспонсирует Джеймс Кэмерон

человек наук в телеграме

При выстреле фотона и на всем протяжении движения в самом поле непрерывно происходит опрос поиска пути. Движок Вселенной как бы запускает теневой просчет в виртуальной копии пространства для текущего участка эксперимента (своего рода глобальный алгоритм A*, работающий на базе иерархической системы HPA*).

Этот теневой поиск пути моментально обволакивает всю установку эксперимента. Настоящему, физическому пикселю-фотону остается только "выйти наружу" (материализоваться) в самый последний момент в одной-единственной точке экрана, там, где разрешил предварительный расчет. В физике этот момент называют коллапсом волновой функции.

И здесь кроется главный фокус квантовой магии (эксперимент Уилера с отложенным выбором). Когда мы ставим зеркало перед экраном в самый последний момент, мы не влияем на прошлое фотона задним числом.

Мы влияем на его волновую функцию в настоящем. Так как волна это единый неделимый поток данных, охватывающий всю установку, то изменение геометрии в одной точке (постановка зеркала) мгновенно меняет форму всей волны целиком.

Это как если бы вы в игровом движке прямо во время игры изменили геометрию уровня или маску шейдера и она пересчитывается для всей сцены сразу. Фотону не нужно лететь назад в прошлое и перевыбирать щель. Он просто материализуется в той точке экрана, которую предписывает новая, мгновенно изменившаяся форма общей волны.

https://ru.wikipedia.org/wiki/Эксперимент_Уилера_с_отложенным_выбором