11. Фрактальная геометрия природы: ткань
Вселенская паутина
«Отец-Матерь прядет Ткань…,
Ткань эта есть Вселенная.
Как паук выбрасывает и вытягивает свою паутину,
так и Вселенная происходит…».
Ведическая космогония
1. Принцип биологической архитектоники
Слово «материя» в переводе с латинского буквально означает вещь, вещество (то есть нечто такое, что можно ощутить, потрогать, измерить). В философском смысле - это объективная реальность, отображаемая нашим сознанием. В естественнонаучном понимании - вещественная основа, которая образует физические тела, и которая имеет, стало быть, определенное строение. Но есть и другой оттенок этого слова, когда оно подразумевает какую-то связанную из нитей ткань. Это может быть обыкновенная хлопковая материя, но может быть и шёлковая, льняная, шерстяная, синтетическая…
Так вот, живая материя, помимо того, что о ней уже много сказано в научных и философских категориях и терминах, есть, прежде всего, материя именно в этом, текстильном смысле. Дело в том, что всякая живая плоть сконструирована, как и текстильная ткань, из нитей (главным образом белковых и целлюлозных) и, следовательно, она имеет матерчатую структуру. Живая материя в физико-механическом отношении есть по существу не что иное, как биологический текстиль.
В поисках специфических (или, как еще говорят, атрибутивных) признаков жизни, которые можно было бы противопоставить неживой природе, остался совершенно без внимания в принципе весьма простой и к тому же вполне доступный для наблюдения факт. От механического удара твердый камень дробится на части, а какая-нибудь мягкая биологическая плоть в этой ситуации, напротив, сохраняет свою целостность, лишь по месту приложения силы могут возникать (как это хорошо известно каждому из нас с раннего детства) некоторые локальные дефекты. Налицо диаметрально противоположное отношение к прочности как способности сопротивляться разрушению под действием внешних нагрузок (ими обычно являются растяжение, сжатие, изгиб).
Все биологические тела от мала до велика построены, в отличие от широко распространенных в природе кристаллических минералов, из линейно (одномерно) организованных элементарных единиц материи, длина которых многократно превышает поперечные размеры, а именно - из полимерных нитей (например, коллагеновых или целлюлозных). Будучи достаточно длинной, тонкой, эластичной, полимерная нить способна, изгибаясь, повторять и описывать любые геометрические формы и очертания. Она чрезвычайно предрасположена к прочному сцеплению и переплетению с себе подобными, что открывает путь к безграничному пространственному формообразованию. Из нити можно сделать (то есть связать) всё. И природа не прошла мимо такой возможности. Нематоморфизм (от греч. nema - нить) и текстуральность (от лат. texo - тку, сплетаю и textum - ткань) приобрели в построении биологических систем, если говорить языком физики, не только ближний, но и дальний порядок.
Цитоплазматические нити амебы
Подлинное царство (микрокосм) нитей открывает нам, прежде всего, содержимое всякой живой клетки, которое ассоциируется нами (вслед за Ж. Бюффоном и В.И. Вернадским) с так называемым живым веществом. Внутриклеточные нити (система цтоскелета, микрофибриллы и микрофиламенты, тончайшая кисея гиалоплазмы) причудливо преплетаются между собой, соединяются и разъединяются в определенном, сложно организованном порядке, образуя в совокупности многомерную, непостижимо запутанную сеть. Построенные в таком ключе элементарные ячейки жизни соединяются между собой в «государство клеток» (как сказал бы Р. Вирхов) нитями внеклеточного матрикса, образуя ткани. А те в свою очередь интегрируются аналогичным образом в органы и системы органов, так что в итоге получается связанный из нитей целый организм
Структура цитоплазмы
Текстуральный принцип структурной организации живого имеет глубокий физический смысл. Выполненная из нитей конструкция внутренне противоречива, в ней органически сочетаются противоположные начала - дискретность (отдельных нитей) и непрерывность (системы в целом). При ударе по минеральному кристаллическому монолиту механическое напряжение концентрируется в месте образования первичной трещины, которая мгновенно разрастаясь и ветвясь, приводит его к разрушению. В отличие от этого, переплетенные между собой полимерные нити, интегрирующие биологическую плоть в единое целое, способствуют рассасыванию напряжения (возникающего по месту приложения силы) и перераспределению нагрузки на соседние элементы. Так что дефект, приведший к разрыву отдельных нитей, не приобретает угрожающих размеров. Он тотчас угасает и локализуется по месту первичного образования. Каждая нить (и даже ее отдельный, зажатый между двумя точками участок) будучи частью единой связной системы, в то же время сохраняет свою физическую индивидуальность и, следовательно, ее разрыв отнюдь не влечет за собой разрушения всей конструкции. Сплетенный из нитей трос гораздо прочнее эквивалентного ему по массе монолитного стержня (к тому же он обладает высокой и легко обратимой гибкостью в силу свободного скольжения друг относительно друга образующих его элементов).
Вот почему, соударяясь с твердыми телами и друг с другом, падая и ушибаясь, вступая в физическое единоборство, преодолевая сопротивление воздушных и водных потоков, меняя в зависимости от обстоятельств внешние очертания, живые существа (поначалу представленные единственной клеткой) не распадаются на части. В противном случае жизнь уже по этой только причине (сугубо механического, структурного свойства!) была бы в земных условиях абсолютно невозможна. И, следовательно, мы имеем все основания отнести нематоморфизм и текстуральность, эти фундаментальные принципы биологической архитектоники, к числу атрибутивных в понимании сущности жизни.
Происхождение этих принципов нам понятно. Будучи порождением линейного порядка, белково-нуклеиновая функциональная система неуклонно поддерживает и бесконечно воспроизводит его в себе. В процессе репликации, транскрипции и трансляции на линейно организованной матричной основе нить порождает и множит нить. Сходящие с матриц элементарные фибриллы собираются в нити более высокого ранга (аналогично тому, как в текстильном производстве из коротких и сравнительно тонких волокон формируется пряжа). На их основе в конечном итоге и создаются (кристаллизуются) различного размера белковые структурные нити.
(Наряду с этим вторично, но уже на ранних этапах существования биосферы приобрёл грандиозное по масштабам своего выражения биосинтез линейных полисахаридов, которые получили главным образом строительное значение. У растений - это целлюлоза (в общей массе органических соединений биосферы она заняла с течением времени первое место), а в мире гетеротрофных организмов (членистоногие, грибы и др.) - целлюлозоподобный хитин.)
Жизнь - это бесконечный и непрерывный процесс прядения и вязания. Всякая живая система, даже самая малая, стала по сути дела грандиозной текстильной фабрикой, а её продукция - единственным и универсальным строительным материалом самой живой субстанции. Кирпичи, из которых строят здание, скрепляют между собой цементом. Детали автомобиля соединяют нарезными болтами и гайками. Что же касается биологических конструкций, то все они завязаны нитью. Более того, если бы нам удалось разобрать до конца какую-либо часть живой плоти на составляющие её элементы, то от нее не осталось бы ничего, кроме различного рода нитей. Все живое из нити и от нити. Все живое есть связка, клубок нитей. И только потому мы не замечаем в обыденной жизни существования этой реальности, что биологические нити либо слишком тонки, либо к тому же еще и плотно упакованы.
Если бы удалось разобрать до конца какое-нибудь существо (или хотя бы его часть) на структурные составляющие (подобно тому, как мы это делаем порой, распуская связанный из пряжи свитер), то от него, естественно, не осталось бы ничего, кроме различного рода нитей. При внимательном анализе разобранного материала мы бы увидели, во-первых, что нити эти главным образом двух типов - белковые и углеводные. Во-вторых, что нити различаются по толщине. В третьих, что они устроены иерархически, по матрёшечному (фрактальному) принципу: нити большего диаметра последовательно расщепляются продольно на нити меньшего диаметра вплоть до линейных макромолекул, с которых начиналось их формирование. Наконец, в четвёртых, что все мономеры образующие нити, только левые (в случае белковых нитей) и только правые (в случае углеводных).
Проще всего осуществить разборку на составные линейные элементы, конечно, вирусов, микроскопическое тело которых состоит всего лишь из двух видов нитей. Находящаяся в центре полинуклеотидная нить (ДНК или РНК, одноцепочечная или двухцепочечная) заключена в полипептидную оболочку-капсид. И, следовательно, вся задача по разборке сводится к тому, чтобы распустить на составляющие нити именно этот капсид, последовательно извлекая белковые субъединицы и разматывая их. Что же касается субвирусных частиц, так называемых вироидов, то с ними и вовсе не требуется никакой разборки, поскольку они лишены капсида и представлены только однонитиевой РНК (возможно, в некоторых случаях и ДНК), которая способна автономно реплицироваться в инфицированных хозяйских клетках. Как видим, при всей своей простоте и функциональной специфике, вирусы несут в себе все признаки биологической архитектоники, присущие одноклеточным и многоклеточным организмам, то есть жизни вообще.
Объясняя, как устроен организм на уровне элементарной ячейки жизни, клеточная теория (сформулированная ещё в первой половине девятнадцатого столетия), не дает представления о структурной организации живого вещества, живой материи как таковой, и ныне уже не может считаться достаточной для теории жизни. В основе жизни, включая и тот ее случай, когда целый организм представлен всего лишь одной клеткой, лежат иные принципы - более глубокого, тектонического (греч. tektonike - строительное искусство, archi - старший, главный, первоначальный) порядка. Это нематоморфизм - нитеобразие, нитеподобие, нитеформие и порождённая им текстуральность - конструирование (вязание) живой материи из нитей. Этим принципам подвластны даже такие мельчайшие, субмикроскопические существа, как вирусы, которые, будучи живыми организмами, никак не вписываются в классическую клеточную теорию в силу своей морфо-функциональной специфики.
2. Жизнь: свобода в объятиях паутины
«Жизнь
Гелеобразование
есть одушевленная вода». Эту фразу Э. Дюбуа-Реймона очень любил повторять в своих очерках В.И. Вернадский. В самом деле, высшие формы жизни содержат воду в количестве 80 - 85% от общей массы, низшие - 95 -98% и даже более, причем основная ее часть не связана с живым веществом химически. Нет на Земле горной породы, которая обладала бы такой влагоемкостью. И можно ли тогда живое вещество называть живым, если оно состоит главным образом из воды?
О значении воды для жизни, казалось бы, знаем всё. И, тем не менее, когда говорим: «без воды нет жизни», «вода - универсальный биологический растворитель», «внутренняя среда жизни» и т.п., понимаем ли, о какой воде идет речь?
Известны три агрегатных состояния вещества, и это в полной мере относится к воде, - твердое, жидкое и газообразное (плазма в данном случае не в счет). Так вот ни то, ни другое, ни третье не могут претендовать на внутреннюю среду жизни, они абсолютно неприемлемы для нее. Твердое - ввиду того, что его атомы слишком жестко связаны друг с другом и недалеко колеблются около своего центра. Жидкая, а тем более, газообразная фаза, напротив, слишком неустойчива относительно тепловых флуктуаций. В них происходит беспорядочное движение атомов, что исключает саму возможность существования и стабильного функционирования сложных молекулярно-биологических структур. Живое вещество по определению не может быть как жестким, так и свободно текучим, оно должно быть в меру подвижным и лабильным. И, следовательно, только то относительно вязкое состояние воды, к которому применимо слово «консистенция», пригодно для жизни.
Гелеобразование
Между тем, такое состояние достигается очень просто и технически на редкость эффективно с помощью все тех же полимерных микронитей. Оказавшись в водной среде даже в ничтожно малом количестве (сотые доли процента от ее массы), полимерные микронити (они настолько тонки, что отношение к поперечным размерам идет у них на сотни тысяч и даже на миллионы, и в силу таких пограничных между макро- и микромиром размеров они находятся еще во власти законов классической физики, но в то же время способны порождать квантовые эффекты) соединяются друг с другом и переплетаются во всех направлениях, собираясь в очень густую и объемную сеть. Жидкая вода при этом удивительным образом преображается. Застряв в ячейках сети, она теряет присущую ей подвижность, лишается текучести и приобретает вдруг (в положительном интервале температур!) непривычные для жидкости свойства твердого тела: жесткость, упругость, пластичность, способность сохранять заданную ей форму и т.д. Иными словами, вода переходит в совершенно иное, по сути дела четвертое агрегатное состояние, среднее между жидким и твердым. Она приобретает благоприятную для жизни консистенцию!
Именно в таком качестве существует ныне цитозоль (он же клеточный матрикс, или гиалоплазма, или внутренняя среда) - основная по массе и объему часть каждой живой клетки. При специальных методах исследования цитозоль (его нетрудно выделить в чистом виде путем последовательного центрифугирования гомогенатов клеток) выглядит как густая трехмерная сеть, которая составлена из тонких (2 - 3 нм) фибрилл, пересекающих цитоплазму в различных направлениях и охватывающих все внутренние образования: микротрубочки, различные вышеупомянутые нитевидные структуры, мембранизированные органеллы и цитоплазматическую мембрану. Ячейки сети заполнены иммобилизованной водой, в местах пересечения ее нитей сосредоточены группы рибосом.
В лабораторной практике, посвященной изучению внутриклеточных биохимических процессов, оперируют, как правило, водными растворами реагентов по традиции, унаследованной от общей химии. Здесь бытуют такие понятия, как концентрация, растворимость, pH и тому подобные параметры, выработанные в свое время применительно к водным растворам. Клеточный транспорт по-прежнему рассматривается как процесс переноса комплекса молекул через водную среду. Но такой воды, которая присутствует в пробирке (где господствуют законы диффузии и беспорядочного теплового движения молекул, где все тяжелое самопроизвольно оседает, а легкое всплывает на поверхность и т.д.) в живой клетке на самом деле нет.
Текстурально иммобилизованная внутриклеточная среда по своим физическим свойствам радикально отличается от водных растворов молекулярных соединений, о которых написаны все учебники по биохимии. В ней значительно нарушено соотношение сил в сравнении с тем, что наблюдается в пробирке. В частности, гравитация мало ощутима (и это очень важно для жизни, в противном случае внутриклеточные структуры постоянно осаждались бы из раствора, что накладывало бы существенные и трудно преодолимые ограничения на возможность ее существования и эволюции).
А проистекает это оттого, что все внутриклеточные элементы, субъединицы и агрегаты (даже те их них, которые традиционно считаются водорастворимыми) не плавают свободно в жидкости, как это имеет место в экспериментальных водных растворах полимеров, а преимущественно закреплены на нитях цитоскелета (они буквально застряли в его сетях), что не может не сказаться самым существенным образом не только на их подвижности и положении в пространстве, но и на самих реакционных способностях.
Более того, структурные соединения в клетке не диффундируют свободно к пункту назначения, а принудительно (на поводке, на привязи) доставляются точно по адресу (в нужное время и в нужное место) посредством актин-миозиновой канатной почты. Один конец транспортной нити наращивается в направлении движения груза за счет присоединения все новых единиц (сегментов) белка, другой соответственно укорачивается. И хотя общая длина нити не меняется, она (и все, что на ней закреплено) движется в заданном направлении, как белье на прищепке. Канатные дороги пронизывают вдоль и поперек всю клетку. Наконец, следует учитывать и то важное обстоятельство, что в цитоплазме очень мало повторностей биологических молекул определенного вида, тогда как все выводы классической химии приобретают смысл и вероятностное значение только на фоне больших чисел.
А коли так, реальная химия клетки весьма далека от той, что излагается в университетских курсах. Это нечто принципиально иное. Это во многом еще не понятая нами химия текстурально иммобилизованных макромолекулярных соединений, несомненно, представляющая одно из специфических (атрибутивных), но не получивших соответствующего их значимости научного понимания, качеств жизни.
Не будем, однако, углубляться в дальнейшие подробности. В контексте рассматриваемой проблемы нам важно понять следующее: цитозоль являет нам архаический образ преджизни, то состояние, которому суждено было стать изначальной внутренней средой жизни. В далеком геологическом прошлом союз воды и нити открыл на Земле новые возможности для дальнейшей самоорганизации материи, он создал определенные и совершенно необходимые предпосылки к биологической эволюции.
Во-первых, осуществилось столь необходимое для грядущей жизни фазовое обособление, индивидуализация и мембранизация материальной предбиологической системы (будь то коацерваты Опарина или протеидные микросферы Фокса) от окружающей среды (обитающая в воде амеба-протей почти на100% состоит из воды, но это уже не вода, а «элементарная ячейка жизни»). Во-вторых, наметилось становление упомянутой внутренней среды. В-третьих, появились присущие жизни зачатки метаболизма и гомеостаза (особенно если в роли нитей выступают полипептидные молекулы). В общем, сложились предпосылки для образования первичной «сомы» (если следовать в расширительном значении несколько забытой терминологии А. Вейсмана). Это, конечно, еще не жизнь и даже не преджизнь. Но это уже благоприятная предбиологическая почва, на которую могли бы упасть некие семена (некая «зародышевая плазма»), чтобы дать жизнь.
В то же время мы приходим на основании изложенного к еще одному парадоксальному заключению общебиологического порядка: физико-механическая идея, заключенная в банальной паутине, имеет фундаментальное значение для жизни, включая и само ее происхождение. Живое вещество биосферы, которое совершенно не мыслится без движения, способно существовать и реализовать себя только в тесных, сильно сковывающих его объятиях паутины. Биологическая свобода (если иметь в виду весь комплекс функциональных процессов внутриклеточного метаболизма) может осуществляться только в рамках определенной (текстурально обусловленной и регламентированной) несвободы, динамика - в рамках статики (то есть, нематостатики). Жизнь есть свобода в объятиях паутины.