птичке в разумности не откажешь.
ловит рыбу на приманку в виде насекомого.
Мировоззрение
Делимся своими знаниями, убеждениями, сомнениями о реальности, в которой мы живём. Обмен мнениями. Дискуссии без троллинга.
Поделиться этой группой
Краткая Информация
- Категория
- Личные клубы
- Язык
- Русский
- Всего пользователей
- 13
- Всего событий
- 0
- Всего обсуждений
- 13
- Всего просмотров
- 33 тыс.
- Total albums
- 0
Дискуссии и новости об эволюции
птичке в разумности не откажешь.
ловит рыбу на приманку в виде насекомого.
Вот ведь что интересно, не всё, что хорошо здесь и сейчас, хорошо для будущего.
Возьмём те же мутации. Вреда от них много, потому что они меняют генетическую программу клеток. Так почему же мутации случались, случаются и будут случаться? Разве не лучше живому организму выработать механизм идеального копирования генетического кода, чтобы не было никаких сбоев? Зачем организму постоянно расходовать силы и средства на устранение поломок? Не выгоднее ли было бы вложится сразу в создание максимально надёжной системы?
С точки зрения отдельно взятого организма - лучше. Ведь тогда не будет риска онкологии, не будет лишней нагрузки на иммунные клетки, не будет потери части потомства. Всё будет скопировано абсолютно точно и будет способствовать жизнедеятельности на протяжении максимально возможного времени для данного организма.
Однако, что хорошо сейчас, скорее всего, не будет так уж хорошо потом. Условия внешней среды изменчивы. Консервативно воспроизводимые потомки не смогут жить в иных условиях и однозначно погибнут. Скорее всего, такие и были когда-то в истории, с более совершенной системой копирования, и не один раз, но просто-напросто не выжили, когда климат в очередной раз поменялся.
А выжили те, у кого в генах закодирована... возможность ошибки. Да, именно! Наши так сильно ненавидимые мутации на самом деле поддерживаются естественным отбором, поскольку дают организму определённую вариабельность, нестабильность. Мы и выжили благодаря им. Мы развиваемся благодаря им. Можем ли мы как-то уменьшить их вред для организма, сохранив пользу для будущего? Наверное, скоро сможем. Главное - понимать, как устроен сам механизм, и разбираться, в чём именно вред, а в чём польза.
Возьмём те же мутации. Вреда от них много, потому что они меняют генетическую программу клеток. Так почему же мутации случались, случаются и будут случаться? Разве не лучше живому организму выработать механизм идеального копирования генетического кода, чтобы не было никаких сбоев? Зачем организму постоянно расходовать силы и средства на устранение поломок? Не выгоднее ли было бы вложится сразу в создание максимально надёжной системы?
С точки зрения отдельно взятого организма - лучше. Ведь тогда не будет риска онкологии, не будет лишней нагрузки на иммунные клетки, не будет потери части потомства. Всё будет скопировано абсолютно точно и будет способствовать жизнедеятельности на протяжении максимально возможного времени для данного организма.
Однако, что хорошо сейчас, скорее всего, не будет так уж хорошо потом. Условия внешней среды изменчивы. Консервативно воспроизводимые потомки не смогут жить в иных условиях и однозначно погибнут. Скорее всего, такие и были когда-то в истории, с более совершенной системой копирования, и не один раз, но просто-напросто не выжили, когда климат в очередной раз поменялся.
А выжили те, у кого в генах закодирована... возможность ошибки. Да, именно! Наши так сильно ненавидимые мутации на самом деле поддерживаются естественным отбором, поскольку дают организму определённую вариабельность, нестабильность. Мы и выжили благодаря им. Мы развиваемся благодаря им. Можем ли мы как-то уменьшить их вред для организма, сохранив пользу для будущего? Наверное, скоро сможем. Главное - понимать, как устроен сам механизм, и разбираться, в чём именно вред, а в чём польза.
У современных птиц перья связаны со сложными приспособлениями кожи. Таким образом, птичья кожа отличается по анатомии и функциям от чешуйчатой кожи рептилии, которая, по-видимому, представляет собой предковое состояние. Однако мало что было известно о самом эволюционном переходе от кожи рептилии к коже с перьями.
И вот наконец-то палеонтологи из Университетского колледжа Корка (UCC) в Ирландии изучили новый образец окаменелости пернатого динозавра Psittacosaurus из раннего мелового периода (135-120 миллионов лет назад), времени, когда динозавры эволюционировали в птиц. Исследование впервые показало, что у пситтакозавра была кожа, похожая на кожу рептилии, в тех областях, где у него не было перьев. Сохранение кожи рептилии в областях, не покрытых перьями, должно было обеспечить основные функции кожи на ранних, экспериментальных стадиях эволюции перьев.
Теперь мы точно знаем, как проходила ранняя эволюция черт кожи птиц - она была сперва ограничена лишь отдельными пернатыми частями тела.
И вот наконец-то палеонтологи из Университетского колледжа Корка (UCC) в Ирландии изучили новый образец окаменелости пернатого динозавра Psittacosaurus из раннего мелового периода (135-120 миллионов лет назад), времени, когда динозавры эволюционировали в птиц. Исследование впервые показало, что у пситтакозавра была кожа, похожая на кожу рептилии, в тех областях, где у него не было перьев. Сохранение кожи рептилии в областях, не покрытых перьями, должно было обеспечить основные функции кожи на ранних, экспериментальных стадиях эволюции перьев.
Теперь мы точно знаем, как проходила ранняя эволюция черт кожи птиц - она была сперва ограничена лишь отдельными пернатыми частями тела.
Три недавних исследования, проведенных учеными из Техасского университета в Остине установили, что одни и те же гены контролируют развитие голосовых органов у эмбрионов млекопитающих и птиц, даже несмотря на то, что органы возникают из разных эмбриологических слоев.
«Они формируются под влиянием одних и тех же генетических путей, в конечном итоге придавая голосовой ткани аналогичную клеточную структуру и вибрационные свойства у птиц и млекопитающих», — сказал один из руководителей исследования.
«Они формируются под влиянием одних и тех же генетических путей, в конечном итоге придавая голосовой ткани аналогичную клеточную структуру и вибрационные свойства у птиц и млекопитающих», — сказал один из руководителей исследования.
Оказалось, что водоросли развили многоклеточность вовсе не единожды. Три линии водорослей развили многоклеточность независимо друг от друга и в разные периоды времени, приобретя гены, которые обеспечивают клеточную адгезию, формирование внеклеточного матрикса и клеточную дифференцировку (журнал Molecular Plant).
Удивительно, но многие из этих важных для многоклеточности генов имеют явное вирусное происхождение. Ох уж эти вирусы, частенько же они эволюцию подталкивали.
Удивительно, но многие из этих важных для многоклеточности генов имеют явное вирусное происхождение. Ох уж эти вирусы, частенько же они эволюцию подталкивали.
Тайна происхождения жизни скоро будет разгадана?
Еще полвека назад размышления о происхождении жизни считались уделом «престарелых ученых, которые могут позволить себе просто сидеть в кресле и рассуждать». Сегодня экспериментальным изучением этой проблемы заняты сотни научных коллективов. Их впечатляющие успехи позволяют надеяться, что не за горами тот день, когда все этапы долгого и трудного пути от неживой материи к простейшему живому организму можно будет воспроизвести в лаборатории.
Журнал Science начал публикацию серии эссе, посвященных 200-летию Чарльза Дарвина и 150-летию выхода в свет его главного труда — «Происхождения видов». Первое эссе, написанное известным американским популяризатором науки Карлом Циммером (Carl Zimmer), рассказывает о проблеме происхождения жизни — предмете, о котором сам Дарвин почти ничего не написал, поскольку не располагал необходимыми данными. Хотя, разумеется, эта проблема не могла его не волновать.
Из дарвиновской теории следовало, что сходство в строении организмов во многих случаях объясняется их происхождением от общего предка. Но для вывода о едином происхождении всего живого во времена Дарвина данных было еще недостаточно. Обосновать наличие у всех пород домашних голубей общего предка — дикого голубя — было сравнительно легко; труднее было сделать такой же вывод обо всём классе птиц; ну а для того, чтобы постулировать общее происхождение таких далеких друг от друга групп организмов, как животные и растения, в те времена нужно было обладать немалой научной смелостью. Однако Дарвин рискнул сделать этот шаг. В заключительной части «Происхождения видов» он отметил, что «...на основании принципа естественного отбора, сопровождаемого дивергенцией признаков, представляется вероятным, что от какой-нибудь подобной низкоорганизованной и промежуточной формы могли развиться как животные, так и растения; а если мы допустим это, мы должны допустить, что и все органические существа, когда-либо жившие на земле, могли произойти от одной первобытной формы». (Ч. Дарвин, «Происхождение видов...», глава 15).
Представления Дарвина о родстве всего живого опирались на известные в то время факты («...все живые существа имеют много общего в их химическом составе, в их клеточном строении, в законах их роста и в их чувствительности по отношению к вредным влияниям...», там же). Однако последние сомнения в правильности дарвиновской догадки отпали лишь во второй половине XX века, когда обнаружилось, что все живые существа имеют один и тот же аппарат наследственности и генетический код. Сегодня мало кто сомневается в том, что все живые организмы — от бактерий до человека — происходят от общего предка, уже имевшего такой наследственный аппарат и генетический код. Вопрос лишь в том, откуда этот предок взялся.
Сам Дарвин, по-видимому, почти не надеялся, что эту тайну когда-нибудь удастся разгадать. В некоторых изданиях «Происхождения видов» он даже упоминает о Творце, предположительно «вдохнувшем» жизнь в первый живой организм. Но это, однако, могло быть и не совсем искренней уступкой господствовавшим взглядам. Сохранились письма Дарвина коллегам и друзьям, из которых видно, что он склонялся к идее абиогенеза — самопроизвольного зарождения первых живых существ из органических соединений, как-то образовавшихся на древней Земле из неорганических веществ. Однако он полагал, что эту догадку едва ли удастся проверить, потому что в наши дни любое самопроизвольно образовавшееся «в каком-нибудь маленьком теплом пруду со всеми видами аммония, солей фосфора, светом, теплом, электричеством и т. д.» органическое вещество немедленно будет съедено и переварено живыми организмами — чего, конечно, не произошло бы в те времена, когда жизнь еще не зародилась.
Скептическое отношение к возможности разгадать тайну зарождения жизни сохранялось довольно долго. По словам Хендерсона Кливса (Henderson James Cleaves) из института Карнеги в Вашингтоне, еще лет 50 назад попытки разгадать тайну происхождения жизни считались уделом «престарелых ученых в конце их карьеры, когда они могут просто сидеть в кресле и рассуждать». Вспомним, как Н. В. Тимофеев-Ресовский ехидно отвечал на вопросы о происхождении жизни: «Я тогда маленький был, не помню, вы спросите лучше у академика Опарина, он знает».
Насмешки начали постепенно сходить на нет после экспериментов Стэнли Миллера, которому удалось в 1953 году синтезировать аминокислоты из смеси аммиака, метана и водорода (предполагаемый состав древней атмосферы Земли), пропуская через нее электрические разряды, имитировавшие молнии (см.: Получены новые результаты старого эксперимента Стэнли Миллера, «Элементы», 20.10.2008). Позже, однако, значение экспериментов Миллера было поставлено под сомнение. Согласно новым геологическим данным, полученным к 1990-м годам, в атмосфере древней Земли было много углекислого газа, который не входил в состав газовой смеси в опытах Миллера. В присутствии CO2 синтез аминокислот из неорганических газов поначалу идти не хотел. Эту проблему удалось преодолеть в 2008 году Кливсу и его коллегам. Они обнаружили, что молнии все-таки могут стимулировать синтез аминокислот в газовой смеси, содержащей CO2, если туда добавить некоторые дополнительные вещества, которые вполне могли присутствовать в первичной атмосфере.
Кроме того, молнии были далеко не единственными производителями органики на древней Земле. На сегодняшний день известны еще по крайней мере две надежные, реально работающие «фабрики» абиогенной органики: космос и гидротермальные источники (о первом из этих источников см.: В. Н. Снытников. Астрокатализ как стартовый этап геобиологических процессов. Жизнь создает планеты?; о втором: Гидротермальные источники — колыбель жизни на Земле?, «Элементы», 30.10.2006).
В целом на сегодняшний день абиогенный синтез простых органических веществ — «строительных блоков» для более сложных соединений, таких как белки и нуклеиновые кислоты, — уже не является проблемой. Аминокислоты (составные части белков), азотистые основания и сахара (составные части нуклеотидов, из которых состоят нуклеиновые кислоты), а также другие важные молекулы могли синтезироваться абиогенно несколькими разными способами. Сложнее оказалось понять, как из этих блоков могли сами собой собраться первые репликаторы — молекулы или комплексы молекул, способные к самовоспроизведению.
Начиная с 80-х годов XX века, когда были открыты каталитические (ферментативные) функции РНК, именно этот класс молекул по праву считается главным кандидатом на роль «первой молекулы жизни». Скорее всего, первыми репликаторами были молекулы РНК, катализирующие синтез собственных копий (см.: RNA world hypothesis). Однако между РНК и простыми органическими соединениями, возникающими в результате абиогенного синтеза, оставалась незаполненная брешь. Химикам до сих пор не удалось подобрать реалистичные условия, в которых из готовых «строительных блоков» — азотистых оснований, рибозы и фосфорной кислоты, которые могли возникнуть абиогенным путем, — сами собой синтезировались бы рибонуклеотиды. В итоге многие эксперты признали необходимость поиска обходных путей.
На сегодняшний день удалось нащупать два таких пути. Первый из них основан на предположении, что изначально в роли «вещества наследственности» выступали не РНК, а другие нуклеиновые кислоты, которые в ходе дальнейшей эволюции были замещены привычными нам РНК. Кандидатами на роль таких молекул являются искусственно синтезированные, не встречающиеся в живой природе ПНК (см. Peptide nucleic acid), ТНК (см. Threose nucleic acid) и ГНК (см. Glycerol nucleic acid). Эти молекулы, с одной стороны, легче синтезируются абиогенным путем, чем РНК, с другой — вполне способны выполнять роль «вещества наследственности».
Второй обходной путь разрабатывается химиком Джоном Сазерлендом (John Sutherland) и его коллегами из Манчестерского университета (Великобритания). Они обнаружили, что синтезировать РНК куда легче не из готовых крупных блоков — сахаров и азотистых оснований — а из более простых органических молекул, таких как формальдегид. Возможно, в ходе химической эволюции между простейшими органическими веществами и РНК вовсе не было промежуточного этапа накопления сахаров и азотистых оснований. Команда Сазерленда сейчас готовит публикацию, в которой будут разрешены основные проблемы синтеза РНК из простейшей органики. По словам Сазерленда, реакции хорошо идут при температурах и pH, встречающихся в небольших водоемах. Если такой водоем время от времени подвергается высыханию, это может сильно ускорить дело благодаря росту концентрации реагентов в остающихся мелких лужах. Так что Дарвин с его «маленьким теплым прудом», возможно, был недалек от истины.
Таким образом, на долгом и сложном пути от неорганических молекул к первой живой клетке остается всё меньше «белых пятен». Из оставшихся загадок ключевое значение имеет проблема появления у молекул РНК способности к самовоспроизведению (см. об этом в заметке: Искусственные протоклетки синтезируют ДНК без помощи ферментов, «Элементы», 09.06.2008). Однако и эта проблема постепенно решается. Очередной важный шаг в этом направлении сделали Трейси Линкольн и Джеральд Джойс (Tracey Lincoln, Gerald Joyce) из Скриппсовского исследовательского института в Сан-Диего (Калифорния, США), чья статья опубликована 8 января на сайте журнала Science.
Схема репликации рибозимов в опыте Линкольн и Джойса. Исходными субстратами служат 4 олигонуклеотида (два розовых в верхней части рисунка и два голубых — в нижней). Голубой рибозим служит матрицей для сборки розового рибозима из двух розовых олигонуклеотидов, а розовый рибозим — матрицей для сборки голубого рибозима из двух голубых олигонуклеотидов. Рис. с сайта www.rsc.org
Исследователям удалось подобрать несколько пар молекул РНК с каталитической активностью (рибозимов), которые успешно реплицируют (синтезируют копии) друг друга. В результате такой взаимной репликации популяция рибозимов может расти в геометрической прогрессии сколь угодно долго — для этого нужно только исправно снабжать растущую популяцию необходимыми «ресурсами», то есть исходными материалами для синтеза новых молекул РНК. За 30 часов популяция может в благоприятных условиях вырасти в 100 млн раз. Более того, заставив несколько разных пар размножающихся рибозимов конкурировать друг с другом за субстрат, исследователи вынудили их начать дарвиновскую эволюцию. В результате спонтанных мутаций и естественного отбора появились рекомбинантные рибозимы с повышенной скоростью размножения.
В отличие от прежних опытов, в которых удавалось добиться неограниченного размножения молекул РНК (см.: Эволюция под управлением компьютера, «Элементы», 12.04.2008), в данном случае процесс идет без участия белковых ферментов. Единственное, что не позволяет назвать этот результат окончательным решением проблемы самовоспроизведения РНК, — это природа субстрата. Размножающиеся пары рибозимов не могут использовать в качестве исходного материала для сборки новых молекул РНК отдельные рибонуклеотиды: они пока умеют работать лишь с олигонуклеотидами, то есть с довольно длинными фрагментами РНК, состоящими из многих рибонуклеотидов.
Таким образом, между результатами опытов Сазерленда (синтез рибонуклеотидов из простой органики) и Линкольн–Джойса (саморепликация рибозимов с олигонуклеотидами в качестве субстрата) еще остается брешь, для заполнения которой потребуются дополнительные исследования: нужно как-то перейти от отдельных рибонуклеотидов к олигонуклеотидам.
В заключительной части эссе Циммер рассказывает о работе по созданию искусственных протоклеток — пузырьков с липидной оболочкой, способных поглощать «пищу» (нуклеотиды) из окружающей среды и осуществлять репликацию РНК или ДНК. С новейшими результатами этих исследований читатели «Элементов» уже знакомы (см. Искусственные протоклетки синтезируют ДНК без помощи ферментов, «Элементы», 09.06.2008). Команда ученых из Гарвардской медицинской школы (Harvard Medical School) в Бостоне (США), создавшая протоклетки, продолжает работать над их усовершенствованием. Протоклетки используют в качестве субстрата не олигонуклеотиды, а отдельные нуклеотиды, и обходятся без помощи белковых ферментов, но пока не могут полностью осуществить весь цикл репликации РНК (они выполняют только отдельные этапы этого процесса). Однако исследователи полны оптимизма. Их цель — добиться того, чтобы протоклетки не только росли и размножались, но и эволюционировали. По их мнению, начало жизни было неразрывно связано с началом дарвиновской эволюции — по сути дела, это было одно и то же событие. Любопытно, что поведение протоклеток зависит от температуры: в тепле они активно «питаются», поглощая нуклеотиды из окружающей среды, а на холоде более активно используют эти нуклеотиды для матричного синтеза РНК. Может быть, для первых живых существ был характерен суточный цикл: днем они питались, а ночью реплицировали свой наследственный материал?
Судя по всему, уже не за горами тот день, когда ученые смогут экспериментально воспроизвести все этапы превращения косной материи в простейший живой организм.
Александр Марков
Источники:
1) Carl Zimmer. Evolutionary roots: On the Origin of Life on Earth // Science. 2009. V. 323. P. 198–199.
2) Tracey A. Lincoln, Gerald F. Joyce. Self-Sustained Replication of an RNA Enzyme // Science. Published online January 8, 2009.
https://elementy.ru/novosti_nauki/4...iya_zhizni_skoro_budet_razgadana?from=rxblock
Еще полвека назад размышления о происхождении жизни считались уделом «престарелых ученых, которые могут позволить себе просто сидеть в кресле и рассуждать». Сегодня экспериментальным изучением этой проблемы заняты сотни научных коллективов. Их впечатляющие успехи позволяют надеяться, что не за горами тот день, когда все этапы долгого и трудного пути от неживой материи к простейшему живому организму можно будет воспроизвести в лаборатории.
Журнал Science начал публикацию серии эссе, посвященных 200-летию Чарльза Дарвина и 150-летию выхода в свет его главного труда — «Происхождения видов». Первое эссе, написанное известным американским популяризатором науки Карлом Циммером (Carl Zimmer), рассказывает о проблеме происхождения жизни — предмете, о котором сам Дарвин почти ничего не написал, поскольку не располагал необходимыми данными. Хотя, разумеется, эта проблема не могла его не волновать.
Из дарвиновской теории следовало, что сходство в строении организмов во многих случаях объясняется их происхождением от общего предка. Но для вывода о едином происхождении всего живого во времена Дарвина данных было еще недостаточно. Обосновать наличие у всех пород домашних голубей общего предка — дикого голубя — было сравнительно легко; труднее было сделать такой же вывод обо всём классе птиц; ну а для того, чтобы постулировать общее происхождение таких далеких друг от друга групп организмов, как животные и растения, в те времена нужно было обладать немалой научной смелостью. Однако Дарвин рискнул сделать этот шаг. В заключительной части «Происхождения видов» он отметил, что «...на основании принципа естественного отбора, сопровождаемого дивергенцией признаков, представляется вероятным, что от какой-нибудь подобной низкоорганизованной и промежуточной формы могли развиться как животные, так и растения; а если мы допустим это, мы должны допустить, что и все органические существа, когда-либо жившие на земле, могли произойти от одной первобытной формы». (Ч. Дарвин, «Происхождение видов...», глава 15).
Представления Дарвина о родстве всего живого опирались на известные в то время факты («...все живые существа имеют много общего в их химическом составе, в их клеточном строении, в законах их роста и в их чувствительности по отношению к вредным влияниям...», там же). Однако последние сомнения в правильности дарвиновской догадки отпали лишь во второй половине XX века, когда обнаружилось, что все живые существа имеют один и тот же аппарат наследственности и генетический код. Сегодня мало кто сомневается в том, что все живые организмы — от бактерий до человека — происходят от общего предка, уже имевшего такой наследственный аппарат и генетический код. Вопрос лишь в том, откуда этот предок взялся.
Сам Дарвин, по-видимому, почти не надеялся, что эту тайну когда-нибудь удастся разгадать. В некоторых изданиях «Происхождения видов» он даже упоминает о Творце, предположительно «вдохнувшем» жизнь в первый живой организм. Но это, однако, могло быть и не совсем искренней уступкой господствовавшим взглядам. Сохранились письма Дарвина коллегам и друзьям, из которых видно, что он склонялся к идее абиогенеза — самопроизвольного зарождения первых живых существ из органических соединений, как-то образовавшихся на древней Земле из неорганических веществ. Однако он полагал, что эту догадку едва ли удастся проверить, потому что в наши дни любое самопроизвольно образовавшееся «в каком-нибудь маленьком теплом пруду со всеми видами аммония, солей фосфора, светом, теплом, электричеством и т. д.» органическое вещество немедленно будет съедено и переварено живыми организмами — чего, конечно, не произошло бы в те времена, когда жизнь еще не зародилась.
Скептическое отношение к возможности разгадать тайну зарождения жизни сохранялось довольно долго. По словам Хендерсона Кливса (Henderson James Cleaves) из института Карнеги в Вашингтоне, еще лет 50 назад попытки разгадать тайну происхождения жизни считались уделом «престарелых ученых в конце их карьеры, когда они могут просто сидеть в кресле и рассуждать». Вспомним, как Н. В. Тимофеев-Ресовский ехидно отвечал на вопросы о происхождении жизни: «Я тогда маленький был, не помню, вы спросите лучше у академика Опарина, он знает».
Насмешки начали постепенно сходить на нет после экспериментов Стэнли Миллера, которому удалось в 1953 году синтезировать аминокислоты из смеси аммиака, метана и водорода (предполагаемый состав древней атмосферы Земли), пропуская через нее электрические разряды, имитировавшие молнии (см.: Получены новые результаты старого эксперимента Стэнли Миллера, «Элементы», 20.10.2008). Позже, однако, значение экспериментов Миллера было поставлено под сомнение. Согласно новым геологическим данным, полученным к 1990-м годам, в атмосфере древней Земли было много углекислого газа, который не входил в состав газовой смеси в опытах Миллера. В присутствии CO2 синтез аминокислот из неорганических газов поначалу идти не хотел. Эту проблему удалось преодолеть в 2008 году Кливсу и его коллегам. Они обнаружили, что молнии все-таки могут стимулировать синтез аминокислот в газовой смеси, содержащей CO2, если туда добавить некоторые дополнительные вещества, которые вполне могли присутствовать в первичной атмосфере.
Кроме того, молнии были далеко не единственными производителями органики на древней Земле. На сегодняшний день известны еще по крайней мере две надежные, реально работающие «фабрики» абиогенной органики: космос и гидротермальные источники (о первом из этих источников см.: В. Н. Снытников. Астрокатализ как стартовый этап геобиологических процессов. Жизнь создает планеты?; о втором: Гидротермальные источники — колыбель жизни на Земле?, «Элементы», 30.10.2006).
В целом на сегодняшний день абиогенный синтез простых органических веществ — «строительных блоков» для более сложных соединений, таких как белки и нуклеиновые кислоты, — уже не является проблемой. Аминокислоты (составные части белков), азотистые основания и сахара (составные части нуклеотидов, из которых состоят нуклеиновые кислоты), а также другие важные молекулы могли синтезироваться абиогенно несколькими разными способами. Сложнее оказалось понять, как из этих блоков могли сами собой собраться первые репликаторы — молекулы или комплексы молекул, способные к самовоспроизведению.
Начиная с 80-х годов XX века, когда были открыты каталитические (ферментативные) функции РНК, именно этот класс молекул по праву считается главным кандидатом на роль «первой молекулы жизни». Скорее всего, первыми репликаторами были молекулы РНК, катализирующие синтез собственных копий (см.: RNA world hypothesis). Однако между РНК и простыми органическими соединениями, возникающими в результате абиогенного синтеза, оставалась незаполненная брешь. Химикам до сих пор не удалось подобрать реалистичные условия, в которых из готовых «строительных блоков» — азотистых оснований, рибозы и фосфорной кислоты, которые могли возникнуть абиогенным путем, — сами собой синтезировались бы рибонуклеотиды. В итоге многие эксперты признали необходимость поиска обходных путей.
На сегодняшний день удалось нащупать два таких пути. Первый из них основан на предположении, что изначально в роли «вещества наследственности» выступали не РНК, а другие нуклеиновые кислоты, которые в ходе дальнейшей эволюции были замещены привычными нам РНК. Кандидатами на роль таких молекул являются искусственно синтезированные, не встречающиеся в живой природе ПНК (см. Peptide nucleic acid), ТНК (см. Threose nucleic acid) и ГНК (см. Glycerol nucleic acid). Эти молекулы, с одной стороны, легче синтезируются абиогенным путем, чем РНК, с другой — вполне способны выполнять роль «вещества наследственности».
Второй обходной путь разрабатывается химиком Джоном Сазерлендом (John Sutherland) и его коллегами из Манчестерского университета (Великобритания). Они обнаружили, что синтезировать РНК куда легче не из готовых крупных блоков — сахаров и азотистых оснований — а из более простых органических молекул, таких как формальдегид. Возможно, в ходе химической эволюции между простейшими органическими веществами и РНК вовсе не было промежуточного этапа накопления сахаров и азотистых оснований. Команда Сазерленда сейчас готовит публикацию, в которой будут разрешены основные проблемы синтеза РНК из простейшей органики. По словам Сазерленда, реакции хорошо идут при температурах и pH, встречающихся в небольших водоемах. Если такой водоем время от времени подвергается высыханию, это может сильно ускорить дело благодаря росту концентрации реагентов в остающихся мелких лужах. Так что Дарвин с его «маленьким теплым прудом», возможно, был недалек от истины.
Таким образом, на долгом и сложном пути от неорганических молекул к первой живой клетке остается всё меньше «белых пятен». Из оставшихся загадок ключевое значение имеет проблема появления у молекул РНК способности к самовоспроизведению (см. об этом в заметке: Искусственные протоклетки синтезируют ДНК без помощи ферментов, «Элементы», 09.06.2008). Однако и эта проблема постепенно решается. Очередной важный шаг в этом направлении сделали Трейси Линкольн и Джеральд Джойс (Tracey Lincoln, Gerald Joyce) из Скриппсовского исследовательского института в Сан-Диего (Калифорния, США), чья статья опубликована 8 января на сайте журнала Science.
Схема репликации рибозимов в опыте Линкольн и Джойса. Исходными субстратами служат 4 олигонуклеотида (два розовых в верхней части рисунка и два голубых — в нижней). Голубой рибозим служит матрицей для сборки розового рибозима из двух розовых олигонуклеотидов, а розовый рибозим — матрицей для сборки голубого рибозима из двух голубых олигонуклеотидов. Рис. с сайта www.rsc.org
Исследователям удалось подобрать несколько пар молекул РНК с каталитической активностью (рибозимов), которые успешно реплицируют (синтезируют копии) друг друга. В результате такой взаимной репликации популяция рибозимов может расти в геометрической прогрессии сколь угодно долго — для этого нужно только исправно снабжать растущую популяцию необходимыми «ресурсами», то есть исходными материалами для синтеза новых молекул РНК. За 30 часов популяция может в благоприятных условиях вырасти в 100 млн раз. Более того, заставив несколько разных пар размножающихся рибозимов конкурировать друг с другом за субстрат, исследователи вынудили их начать дарвиновскую эволюцию. В результате спонтанных мутаций и естественного отбора появились рекомбинантные рибозимы с повышенной скоростью размножения.
В отличие от прежних опытов, в которых удавалось добиться неограниченного размножения молекул РНК (см.: Эволюция под управлением компьютера, «Элементы», 12.04.2008), в данном случае процесс идет без участия белковых ферментов. Единственное, что не позволяет назвать этот результат окончательным решением проблемы самовоспроизведения РНК, — это природа субстрата. Размножающиеся пары рибозимов не могут использовать в качестве исходного материала для сборки новых молекул РНК отдельные рибонуклеотиды: они пока умеют работать лишь с олигонуклеотидами, то есть с довольно длинными фрагментами РНК, состоящими из многих рибонуклеотидов.
Таким образом, между результатами опытов Сазерленда (синтез рибонуклеотидов из простой органики) и Линкольн–Джойса (саморепликация рибозимов с олигонуклеотидами в качестве субстрата) еще остается брешь, для заполнения которой потребуются дополнительные исследования: нужно как-то перейти от отдельных рибонуклеотидов к олигонуклеотидам.
В заключительной части эссе Циммер рассказывает о работе по созданию искусственных протоклеток — пузырьков с липидной оболочкой, способных поглощать «пищу» (нуклеотиды) из окружающей среды и осуществлять репликацию РНК или ДНК. С новейшими результатами этих исследований читатели «Элементов» уже знакомы (см. Искусственные протоклетки синтезируют ДНК без помощи ферментов, «Элементы», 09.06.2008). Команда ученых из Гарвардской медицинской школы (Harvard Medical School) в Бостоне (США), создавшая протоклетки, продолжает работать над их усовершенствованием. Протоклетки используют в качестве субстрата не олигонуклеотиды, а отдельные нуклеотиды, и обходятся без помощи белковых ферментов, но пока не могут полностью осуществить весь цикл репликации РНК (они выполняют только отдельные этапы этого процесса). Однако исследователи полны оптимизма. Их цель — добиться того, чтобы протоклетки не только росли и размножались, но и эволюционировали. По их мнению, начало жизни было неразрывно связано с началом дарвиновской эволюции — по сути дела, это было одно и то же событие. Любопытно, что поведение протоклеток зависит от температуры: в тепле они активно «питаются», поглощая нуклеотиды из окружающей среды, а на холоде более активно используют эти нуклеотиды для матричного синтеза РНК. Может быть, для первых живых существ был характерен суточный цикл: днем они питались, а ночью реплицировали свой наследственный материал?
Судя по всему, уже не за горами тот день, когда ученые смогут экспериментально воспроизвести все этапы превращения косной материи в простейший живой организм.
Александр Марков
Источники:
1) Carl Zimmer. Evolutionary roots: On the Origin of Life on Earth // Science. 2009. V. 323. P. 198–199.
2) Tracey A. Lincoln, Gerald F. Joyce. Self-Sustained Replication of an RNA Enzyme // Science. Published online January 8, 2009.
https://elementy.ru/novosti_nauki/4...iya_zhizni_skoro_budet_razgadana?from=rxblock
Создайте учетную запись или войдите в систему, чтобы комментировать
Вы должны быть участником, чтобы оставить комментарий
Создать аккаунт
Создайте учетную запись в нашем сообществе. Это просто!
Авторизоваться
У вас уже есть учетная запись? Войдите в систему здесь.