4.6 Life from “nothing” to the current state

4.6.1 Prefabricates

4.6.2 Start of construction on the basis of a design

4.6.2.1 DNA – sequence copier

4.6.2.2 Proteins

4.6.2.3 RNA – manufacturing department

Theoretically, it is simple to build the same proteins in the same way in every cell of a living object. It is easy to understand, but there are a lot of things which makes it very, very complicated. But we, using simple language, will explain the set of relatively simple rules and processes which makes this happen. In the mid-1950s, researchers determined that the DNA sequence contained encrypted information about the structure of all the proteins needed by the cell. However, more than ten years of research was needed to understand how cells translate information contained in DNA into amino acid sequences in proteins [65, p. 234].

Helicase, as we already know, splits DNA ladder-like chain into two distinct strands. There are also other enzymes that divide DNA, but not permanently, but for a moment. These are enzymes are called RNA Polymerase. Each of them can move along the DNA helix, splitting it along a dozen hydrogen bonds. And when it splits something really interesting happens! The ribose-based nucleotides, slightly different from the nucleotides from which DNA is built, insert themselves into this split. Using their nitrogen bases, they bond with hydrogene bonds to a DNA strand. Morover, they connect to each other with a phosphodiester bond. In this way, an RNA strand is created. It differs from the DNA strand because it was built from ribose nucleotides, and not, like DNA, from deoxyribose nucleotides. This might seem to be an insignificant difference, but it results in very important consequences. The combination of the RNA strand with the DNA strand is weak enough that the two DNA strands which were split for a short while then tend to merge. The newly formed RNA strand is preventing the DNA strands from merging but this is not an obstacle, as they squeeze the RNA strand out of the way allowing them to merge. This ability to be easily squeezed out is the first very important feature of RNA.

4.6.3 Start of the PEI

4.6.4 Basic systems and basic creative mechanisms

4.6.5 Cells

4.6.5.4 Transformation of cells

Cells are not static objects as they are constantly changing. From our human point of view, some changes are fast, others slow, or even insignificant. Nevertheless, no matter what adjective we use, this is an object undergoing constant transformation. The types of cell transformations and resulting consequences are many and can be learned at different levels of accuracy. If we wanted to discuss all of them in detail, there would not be enough space in the book. So, we will only visit the most important issues.

Cell transformations can be classified into one of three categories: division, merging, and other. Nowadays, we know the following types of bacterial cell division: binary fission consisting of DNA replication and cell division into two smaller ones, which then grow to the dimensions of the parent cell, fragmentation in which the parent cell wall forces a cell to divide into many progeny cells, and budding, whereby cells are formed at the poles of the parent cell, which then separate to become daughter cell(s). Immediately after the separation, the daughter cell is smaller than the parent.

Conjugation (Latin coniugatio - connection) is the process of two cells joining. Results of this connection may be different. In bacterial conjugation, two cells merge, exchange their genetic material (including plasmids) and separate. In another, two cells can merge combine their DNA material, and form a new and unique cell. This process is called syngamy which can be freely translated as creation of a new unit from two components. Syngamy is the basis of fertilisation, without which you would not be reading this. To use an analogy, DNA is a book and bacterial conjugation means the redistribution of chapters between two books. Syngamy shuffles the chapters of two books to make one unique book. In summary, conjugation results in the creation of new information within a cell or cells.

Other transformations of a cell can be: decomposition, transduction and information absorption (ambiguously named transformation). Decomposition - also called cell death. It consists of the complete breakdown of cellular structures into basic bio-molecules. When it is triggered by an external factor it is called necrosis, when it is internal - apoptosis, programmed cell death. Apoptosis occurs in multi-cellular living objects. Between 50-70x10⁹ cells are decomposed each day due to apoptosis in the average human adult. Natural transduction is the transfer of DNA fragments from one cell to another, performed by a virus. It can also be performed artificially by molecular biologists by using viral vectors. Information absorption is the process of capturing fragments of DNA extracted from the environment (where they may be found for example, after decomposing dead bacteria), and inserting them into their own DNA by the cell itself.

4.6.5.5 Cell cycle

The cell, as we remember, is an RPD-type structure, one that divides and then rebuilds. The new cells then divide further. This process has been called the cell cycle. It has two active states: interphase which is the metabolic phase of the cell, in which the cell absorbs resources and metabolizes them, and cell division where a cell divides into two or more daughter cells. This division is called phase M. The average duration of the cell cycle of animals or plants ranges from 8 to 20 hours. A marine becterium, Pseudomonas natriegens, has a reported cell division time of under 10 minutes. The duration of the individual phases depends on the type of cell and the external conditions, but it is known that the interphase normally takes 25 times longer than the M phase.

During interphase, the cell is very active: it grows, synthesizes essential compounds for life and growth, such as proteins, lipids, carbohydrates and others and performs it's external duties. Interphase has three consecutive phases: G₁ in which the cell synthesizes mRNA and proteins, S when the cell's DNA is replicated and G₂ which is a period of rapid cell growth and protein synthesis during which the cell prepares itself for division. Some cells, such as red blood cells and nerve cells, do not migrate to the M phase - their interphases are very long and do not end in division. It is called G₀ phase. The neuronal cell interphase is as long as the lifespan of the living object, while red blood cells, after fulfilling their purpose, decompose.

4.6.6 Multicellular objects

4.6.6.1 Two mechanisms of the formation of multicellular groups

4.6.6.2 Known stages of specialization

4.6.6.3 Differential transformation and morphogenesis

{Quotation by E.O.Wilson}

A human is formed by combining a spermatozoon (haploid cell from a father) with an ovum (haploid cell from a mother). This combination - called conception - is an example of the previously discussed syngamy. The result is a diploid cell - zygote. Then, as a result of its subsequent divisions, there will be a huge number (about 10 ¹⁴) of cells of various types that will shape the human body. Research on the development of the organism from zygote to adult is one of the greatest challenges in modern biology.

The newly formed groups of cells are differentiated and spatially arranged in a manner programmed by the DNA. The human body is made up of about 200 different types of cell. Each of them has strictly defined construction and properties, and yet, regardless of type, each was made from the same zygote and has the same DNA.

Development, from a fertilized egg, i.e. a zygote, to a mature organism able to live independently, involves many overlapping processes. [...] Cells are transformed into specialized types, differing in both shape and function. They cluster into groups, creating tissues and organs. These changes are progressive and separate stages can be distinguished in the development of animals. These are embryonic cleavage, gastrulation and organogenesis. [...] Podstawą wszystkich przemian w rozwoju zarodka są procesy, jakie zachodzą w poszczególnych komórkach. Wytwarzanie wyspecjalizowanych typów komórek nazywa się różnicowaniem. The basis for all changes in the development of the embryo are the processes that take place in individual cells. The production of specialized cell types is called differentiation. Zróżnicowane komórki różnią się między sobą formą (kształtem), składem substancji zawartych w cytoplazmie i aktywnością genów, co powoduje odmienne ich funkcje. Proces różnicowania się komórek jest wysoce skomplikowany i zależy od wielu czynników. Diversified cells differ in form (shape), composition of substances contained in the cytoplasm and gene activity, which results in their different functions. The process of cell differentiation is highly complex and depends on many factors. Szereg określonych zdarzeń, jakie zachodzą w nim kolejno, zwany jest szlakiem rozwojowym lub ścieżką różnicowania. A number of specific events that occur in it are called a cellular differentiation pathway. Do każdego typu zróżnicowania końcowego prowadzi odrębny, określony szlak rozwojowy. Komórki rozwijające się według tego samego szlaku rozwojowego mają taki sam biologiczny rodowód [...].
A separate, specific developmental path leads to each type of final differentiation. Cells developing on the same differentiation pathway have the same biological origin [...]. Z pierwszych podziałów zygoty powstają prawie jednakowe komórki, zwane blastomerami. W dalszym rozwoju mają one możliwość przekształcenia się w każdy typ komórki dojrzałego organizmu. Tę ich właściwość określa się jako totipotencję lub omnipotencję. From the first divisions of the zygote, almost identical cells, called blastomers, arise. In further development, they have the ability to transform into any cell type of a mature organism. This property is referred to as totipotency. W czasie bruzdkowania komórki zajmują odmienne pozycje w obrębie zarodka i różnią się składem cytoplazmy. Kiedy komórki zaczynają się różnić od siebie, ich możliwości rozwojowe zostają stopniowo ograniczane i mogą one dać początek kilku typom komórek dorosłych, nazywa się je pluripotencjalnymi lub multipotencjalnymi [mogą przekształcić się w wiele typów komórek, ale nie we wszystkie, tak jak było w przypadku totipotencjalnych – przyp. J.F.]. When cleavage, cells take different positions within the embryo and differ in the composition of the cytoplasm. When cells start to differ from each other, their developmental possibilities are gradually reduced and they can give rise to several types of adult cells, they are called multipotential [these kind of cell may differentiate into discrete cell types, but not all, as it was in the case of totipotentials - J. F.]. W dalszym rozwoju zarodka poszczególne komórki i całe ich grupy rozwijają się już w określony typ komórek dorosłych. [Grupy komórek multipotencjalnych zostają skierowane na jeden konkretny szlak rozwoju, komórki tego szlaku nazywane są komórkami ukierunkowanymi – przyp. J.F.]. [...] Najczęściej ukierunkowanie nie jest jeszcze ostateczne i komórki mogą zmienić szlak rozwoju na inny niż został początkowo zaplanowany. Komórki zaawansowane w rozwoju w danym kierunku, które już nie zmieniają zaplanowanego szlaku rozwoju, są komórkami zdeterminowanymi. Komórki zdeterminowane najczęściej jeszcze różnią się od ostatecznie zróżnicowanego typu końcowego, nazywa się je wtedy komórkami progenitorowymi lub prekursorowymi. Na ogół w danej populacji komórek progenitorowych nie różnicują się one równomiernie. Część komórek nie w pełni zróżnicowana pozostaje jako tzw. komórki macierzyste lub komórki pnia zarówno w zarodku, jak i w dorosłym organizmie. Komórki te w narządach i tkankach stanowią pewien „zapas” i w razie potrzeby mogą zastąpić zużyte komórki lub stanowią matrycę do produkcji [zmiana J.F.] nowych wyspecjalizowanych komórek, jak np. komórki macierzyste w szpiku kostnym, wytwarzające stale nowe pokolenia krwinek. W czasie rozwoju osobniczego komórki somatyczne dzielą się mitotycznie na dwa sposoby. W jednym po każdym podziale powstają dwie jednakowe komórki, takie same jak komórka wyjściowa. Kiedy z podziału jednej komórki wyjściowej powstaje cała populacja komórek jednakowych, nazywa się to podziałem klonalnym, a całą populację klonem. W drugim sposobie z komórki wyjściowej powstają dwie różne komórki potomne różniące się składem cytoplazmy, taki podział nazywa się podziałem różnicującym. W większości komórek macierzystych zachodzi podział różnicujący, w rezultacie którego jedna komórka, tak jak wyjściowa pozostaje komórka macierzystą, a druga jest już komórką bardziej zróżnicowaną. Stąd komórki macierzyste są zdolne do samoodnawiania.
Dzieląca się zygota powiela wszystkie geny, to jest swój genom i przekazuje go komórkom potomnym. Wszystkie komórki rozwijającego się zarodka mają więc taki sam genom, jaki powstał w zygocie po zapłodnieniu. Odmienność typów komórek, ich zróżnicowanie, polega na różnej aktywności poszczególnych genów w takim samym genomie. Tak więc w trakcie rozwoju zarodkowego jedne geny są czynne, aktywne i kodują określone białka, inne są nieaktywne. W dużym uproszczeniu można przyjąć, że ukierunkowanie różnicowania komórek polega na uaktywnieniu w nich określonej grupy genów oraz na zahamowaniu aktywności innych genów. Ta aktywność genów zostaje stopniowo utrwalana w czasie determinacji i końcowego zróżnicowania. Komórki ostatecznie zróżnicowane mają ustabilizowaną aktywność genów, które kodują białka specyficzne charakterystyczne dla danego typu komórek. Na przykład komórki mięśniowe maja aktywne geny związane z wytwarzaniem białek kurczliwych, a komórki linii erytrocytarnej – aktywne geny odpowiedzialne za kodowanie hemoglobiny, geny odpowiedzialne za syntezę innych białek, np. kreatyny włosów, są w nich nieaktywne. Na różnicowanie się komórek w okresie rozwoju zarodka, a więc na aktywację lub zahamowanie aktywności genów, a wpływ wiele różnorodnych czynników.
Aktywacja i zahamowanie ekspresji genów w komórce zachodzi pod wpływem jej otoczenia zewnętrznego. Może to być kontakt z sąsiednią komórką lub(i) substancją biologicznie czynną. Wzajemne oddziaływanie na siebie komórek, zwane interakcją, zachodzi przez bezpośredni kontakt ich błon komórkowych i wzajemne przekazywanie sobie sygnałów. W takiej interakcji biorą udział połączenia międzykomórkowe, integryny, receptory błonowe i inne białka związane z błoną komórkową. Substancje działające z zewnątrz na komórkę, które powodują w niej aktywację określonych genów i w następstwie tego syntezę odpowiednich białek, nazywa się czynnikami sygnalizacyjnymi. Obejmują one hormony, cytokiny, czynniki wzrostowe, białka sekrecyjne i inne substancje biologicznie czynne. Czynniki sygnalizacyjne mogą działać na drodze endokrynowej, jak hormony rozprowadzane przez krew, parakrynowo, gdy działają na drodze dyfuzji w niewielkiej odległości między komórką wydzielającą a odbierającą, oraz autokrynowo, kiedy czynnik sygnalizacyjny działa na komórkę, która go wytworzyła.
Przeważnie czynniki sygnalizacyjne działają jako ligandy¹⁸⁹ wiążące się z odpowiednimi receptorami w błonie komórkowej lub receptorami cytoplazmatycznymi. Czynniki sygnalizacyjne białkowe nie wnikają do wnętrza komórki, lecz działają poprzez receptory błonowe. Receptory błonowe, wiążąc się ściśle określonymi ligandami, stają się aktywne i przekazują informację do wnętrza komórki. W cytoplazmie komórki informacja ta jest „odbierana” przez specyficzne białka – czynniki regulatorowe, w tym tzw. czynniki transkrypcyjne, które przenoszą ją do jądra komórkowego, wiążąc się z odpowiednim genem docelowym, aktywują go lub niekiedy hamują¹⁹⁰. Czynniki sygnalizacyjne, takie jak hormony steroidowe czy kwas retinojowy, wnikają do wnętrza komórki i tworzą kompleks z receptorami cytoplazmatycznymi. Kompleks taki jest transportowany do jądra komórkowego i wiąże się z docelowym genem, aktywując go. Zróżnicowanie komórek zależy w dużej mierze od ich położenia w zarodku i nazywane jest efektem pozycji [...]. Zależnie od położenia komórka wchodzi w interakcję z innymi rodzajami komórek i inne sygnały do niej dochodzą.
Wynikiem różnicowania się komórek jest powstawanie określonych tkanek i narządów. The transformation of cells into tissue is called histogenesis, and the formation of separate organs, with a specific form and composition of tissues, is morphogenesis¹⁹¹. Omówione pobieżnie procesy przebiegają w określonej kolejności w czasie i w określonych miejscach rozwijającego się zarodka. Do skoordynowania tak wielu różnych procesów konieczny jest nadrzędny program nazwany programem rozwoju. Znamy tylko, i to pobieżnie, niektóre jego etapy i mechanizmy [71, str. 1]

The entire program for the creation of a multicellular organism from one cell, including: cell sub-project, cell differentiation path subprojects and sub-projects of intercellular relations, is stored in the genetic material delivered from either the female or the male sex cell by the zygote by the mechanism of crossing over.

4.6.6.4 Biocomputers