Русский информационно-познавательный ресурс "Русколань"

.


Ватные капли. Зарождение жизни объяснили без участия бога

Источник: lenta.ru, 02.05.2017г. Автор: Андрей Борисов.


Кадр: видео Medi-Mation.

Немецкие и американские ученые описали механизм, благодаря которому протоклетки, предшественники первых живых организмов, начали расти и делиться. Соответствующее исследование опубликовано в журнале Nature Physics, кратко о нем сообщает издание Quanta Magazine.


Growth and division of active droplets provides a model for protocells.

Вопрос о том, как возникла жизнь, волнует людей с давних времен. Исторически было предложено несколько концепций, из которых научную ценность, по всей видимости, представляет лишь гипотеза о первичном бульоне. Остальные оказались несостоятельными. Гипотеза божественного сотворения (креационизм), возникшая еще во времена позднего неолита, ненаучна; теория вечного существования жизни противоречит астрономическим и палеонтологическим данным; концепция панспермии — занесения жизни на Землю извне, принципиально не решает проблемы и приводит к вопросу о том, как жизнь возникла в другом мире.

Предположение, что на ранних этапах возникновения жизни небольшие капельки могли образоваться посредством сегрегации молекул в сложных смесях путем разделения фаз в так называемом первичном бульоне (коацервате), было высказано советским биологом Александром Опариным, а позднее — британским ученым Джоном Холдейном. Эти коацерватные капельки, согласно гипотезе, обеспечили возникновение химических реакционных центров, однако неясно, каким образом они росли и размножались.


Александр Опарин, фото: РИА Новости. Джон Холдейн, фото: Keystone Pictures USA / Globallookpress.com

В новом исследовании ученые рассмотрели поведение капель в системах, которые при помощи внешнего источника энергии поддерживаются в далеком от термодинамического равновесия состоянии. В этих системах капли растут за счет добавления капельного материала, вырабатываемого в ходе химических реакций. Оказалось, что рост капли, происходящий из-за химических процессов, приводит к нестабильности ее формы и вызывает деление на две меньшие капельки.

Это означает, что химически активные капли демонстрируют циклы роста и деления, которые напоминают пролиферацию — разрастание ткани организма путем размножения клеток делением. Разделение активных капель, как полагают авторы, служит моделью для пребиотических протоклеток, в которых химические реакции в капельке играют роль пребиотического метаболизма.

Жидкие капли представляют собой самоорганизующиеся структуры, которые сосуществуют с окружающей жидкостью. Поверхность, разделяющая две сосуществующие фазы, придает каплям определенную форму (сферическую из-за поверхностного натяжения). Кроме того, многие вещества могут диффундировать через поверхность коацерватной капли. Сегрегация среды в капельки концентрирует материал в ограниченном объеме и способствует протеканию специфических химических реакций.

Ученые понимают термодинамику зарождения капли, однако им до сих пор неясно, как она может расти и размножаться, то есть обладать ключевыми особенностями, присущими живому организму. Обычно считают, что капельки растут за счет поглощения материала из перенасыщенной среды или переконденсации (созревания Оствальда) — переносе растворенного вещества от мелких частиц к крупным с помощью растворения. В последнем случае мелкие капли исчезают, остаются лишь крупные; также допускается, что мелкие капли могут непосредственно объединяться в более крупные. Описанные процессы приводят к росту размеров капель и уменьшению их числа с течением времени, тогда как протоклетка должна, достигнув характерного размера, разделиться на две. Так как же коацерватным каплям это удается?

Авторы полагают, что капельки, которые химическим топливом поддерживаются вдали от термодинамического равновесия, могут иметь необычные свойства — в частности, при наличии химических реакций созревание Оствальда может быть подавлено, в результате чего несколько капель могут стабильно сосуществовать с характерным размером, заданным скоростью реакции. В этом случае сферические капельки, подверженные химическим реакциям, спонтанно расщепляются на две более мелкие дочерние капли одинакового размера. Таким образом, полагают ученые, химически активные капли растут, а затем делятся и, следовательно, размножаются, используя в качестве топлива поступающий материал. Это означает, что в присутствии химических реакций, приводимых в действие из внешнего источника, капельки ведут себя подобно клеткам. Такие активные капли могут представлять собой модели для выращивания и деления протоклеток с примитивным метаболизмом, представляющем собой простые химические реакции, поддерживающиеся внешним топливом.

Капельки служат небольшими резервуарами для пространственной организации специфических химических реакций. Появление капель требует разделения фаз на две сосуществующие жидкие фазы различного состава. Разделение фаз обусловлено молекулярным взаимодействием, в котором молекулы, имеющие сродство друг к другу, понижают свою энергию, если они находятся близко друг к другу. Жидкость может расслоиться, если уменьшение энергии, связанное с молекулярными взаимодействиями, преодолевает эффекты увеличения энтропии путем смешивания. Если эти взаимодействия сильны, формируется поверхность, отделяющая сосуществующие фазы. Капли могут стать химически активными, если материал поверхности образуется и разрушается химическими реакциями.

Рассмотрим, например, модель простой капли (рисунок а). В ней присутствует минимальное число необходимых условий для формирования и размножения коацерватной капли: две фазы, поверхность раздела фаз и внешний источник энергии, удерживающий систему от состояния термодинамического равновесия. Капля образована материалом D капельки, который генерируется внутри капли из высокоэнергетического предшественника N, который играет роль питательного вещества. Капельный материал может разлагаться на более низкую энергетическую составляющую W (отходы), которые покидают капельку в результате диффузии. Капля может выжить, если N непрерывно подается, а W — постоянно удаляется. Это может быть достигнуто путем рециркуляции N с использованием внешнего источника энергии, например, некоторого топлива или солнечного света.


Рисунки a, b и c. Изображение: Nature Physics.

Физика таких активных капель, согласно авторам, не сложна. Проще всего ее понять на примере простой модели с двумя компонентами A и B (рисунок b). Фаза материала капли B отделяется от растворителя. Он может спонтанно преобразоваться химической реакцией B → A в молекулы типа A, которые растворимы в фоновой жидкости и оставляют капельку. Обратная реакция A → B не протекает спонтанно, потому что B имеет более высокую энергию, чем A. Новый материал капель B может быть получен второй реакцией A + C → B + C`, которая связана с топливом C. Здесь C` представляет собой низкоэнергетический продукт реакции молекул топлива. Разница химических потенциалов µ(C) − µ(C`) > 0, обеспечиваемая топливом, позволяет достичь высокоэнергетического состояния B из менее энергетического A. Разность µ(C) − µ(C`) может поддерживаться постоянной, если концентрации C и C` задаются внешним резервуаром. В этом случае система удерживается вдали от состояния термодинамического равновесия.

Комбинация разделения фаз и неравновесных химических реакций изучена учеными и в непрерывной модели. Используя эту модель, авторы обнаружили, что сферические капли, которые являются химически активными, могут испытывать нестабильность формы и разделиться на две более мелкие капли (рисунок с). Капля сначала растет до тех пор, пока она не достигнет своего стационарного размера. Затем капля начинает удлиняться и образует гантелеобразную форму. Эта гантель разделяется на две меньшие капли одинакового размера. В результате меньшие капельки снова начинают расти до тех пор, пока не произойдет новое деление.

Ученые отмечают, что смоделированные ими явления возможно наблюдать непосредственно на эксперименте (размеры капель имеют порядки микрометра). Авторы отмечают, что нестабильность капель, обусловленная внешним притоком энергии и приводящая к делению капли, может быть сравнена с неустойчивостью Муллинса-Секерки, часто обсуждаемой в контексте роста кристаллов. В отличие от последней, нестабильность формы (фактически — деление) смоделированных капель может возникнуть и в случае неподвижной нерастущей капли.

Какие типы молекул могли образовывать такие капли? Современные клетки обладают рядом химических структур, которые не отделены мембраной от клеточной цитоплазмы, а образуются путем разделения фаз от цитоплазмы. Многие из них являются жидкими и состоят из молекул РНК и РНК-связывающих белков. Гипотеза мира РНК предполагает, что на ранних этапах жизни РНК одновременно была носителем генетической информации и выступала в качестве фермента (рибозимы). Объединение РНК с простыми пептидами, возможно, было достаточным для организации коацерватных каплей.

Авторы отмечают, что трансформация химически активных капель в первые делящиеся клетки с мембранами представляют собой большую проблему для понимания ранней эволюции. В отличие от внутренней и внешней среды капли, поверхность раздела этих сред амфифильна. Липиды, не имеющие сродства к внешней и внутренней среде капли, при их наличии во внешней среде коацерватов могли бы накопиться как раз на такой амфифильной поверхности. Специалисты полагают, что коацерваты могли получить мембраны задолго до того, как первые протоклетки научились делиться.

Раскрыты новые подробности появления жизни на Земле

Источник: lenta.ru, 19.05.2017г.


РНК. Фото: Wikipedia.

Группа ученых из Университетского колледжа Лондона раскрыла механизм, с помощью которого возникли отдельные элементы РНК — рибонуклеотиды. Этот процесс был необходим для возникновения первой в мире РНК, являющейся предшественником жизни на Земле. Пресс-релиз исследования опубликован на сайте Phys.org.

Нуклеотиды представляют собой молекулы, которые делятся на два класса: пурины и пиримидины. Ранее считалось, что эти группы не могли образоваться вместе, поскольку условия их синтеза несовместимы. Однако результаты новой работы показали, что молекулы 8-оксо-аденозин и 8-оксо-инозин, являющиеся пуринами, могут формироваться в той же среде, что и пиримидины. Эти соединения, вероятно, играли важную роль в появлении первых нуклеиновых цепочек еще до появления «канонических» нуклеотидов, то есть содержащих азотистые основания А, U, G или С.

В будущем ученые планируют выяснить, могут ли цепочки из 8-оксо-пуринов кодировать последовательность белка, что подтвердит их возможное участие в формировании РНК-мира.

РНК-мир — один из гипотетических этапов возникновения жизни, когда хранение генетической информации и ферментативную активность осуществляли ансамбли рибонуклеиновых кислот. Позднее на основе РНК-мира появились белки и ДНК, а РНК стала выполнять посредническую функцию.

Синтезирована главная основа жизни на Земле

Источник: lenta.ru, 24 апреля 2017 года.


Изображение: Wikipedia.

Чешские ученые синтезировали все нуклеотидные основания РНК внутри экспериментальной установки, в которой были имитированы условия на Земле несколько миллиардов лет назад. Результаты исследования являются доказательством происхождения жизни из неорганических веществ. Статья биологов опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. Об этом сообщается на сайте Phys.org.

Исследователи планировали усовершенствовать эксперимент Миллера — Юри 1953 года, в котором были получены 22 различные аминокислоты. Тогда систему из нескольких стеклянных колб заполняла смесь из метана, аммиака, водорода и окиси углерода. Также присутствовали водяные пары, которые проходили через имитирующие молнии электрические разряды. В новой версии установки применялись лазеры для симуляции плазмы, возникающей при столкновении с астероидами.

После эксперимента ученые обнаружили, что в растворе содержались такие вещества, как цианистый водород и формамид — производное муравьиной кислоты, содержащее амидную группу. Формамид способен образовывать гуанин — азотистое основание, входящее в состав одного из нуклеотидов ДНК и РНК. Кроме того, был выявлен сам гуанин, а также урацил, цитозин, аденин, мочевина и аминокислота глицин.

РНК — длинные молекулы, которые, как и ДНК, состоят из четырех нуклеотидов. Согласно гипотезе РНК-мира, эти соединения существовали задолго до появления первой жизни, однако были способны копироваться, размножаться и видоизменяться. В конце концов, они стали основой для появления клеток.

Оно живое! В США создали синтетическую форму жизни

Источник: lenta.ru, 10.03.2017г., Александр Еникеев.


Ферментация теста. Фото: Allagash Brewing / Flickr

Американские ученые получили дрожжи, треть генома которых — искусственная. В рамках проекта по созданию синтетического организма биологи изготовили пять усовершенствованных хромосом, из которых была выброшена нестабильная и ненужная для жизнедеятельности клеток ДНК. «Лента.ру» рассказывает о новой работе исследователей из Университета Джона Хопкинса.

24 апреля 1996 года ученые сообщили в журнале Science, что им удалось впервые секвенировать геном эукариотических организмов — дрожжей Saccharomyces cerevisiae. Вся ДНК этих одноклеточных грибов содержится в 16 хромосомах и в совокупности состоит из 12 миллионов пар оснований. На это потребовалось 12 лет и усилия сотни лабораторий.

В 2000-х годах в науке возникло новое направление — синтетическая биология. Исследователи, работающие в этой сфере, создают в лабораториях различные системы из белков и нуклеиновых кислот, чтобы в конечном итоге получить искусственный организм. Один из разделов синтетической биологии — синтетическая геномика, посвященная попыткам заново собрать геномы, которые послужат основой для будущих живых «синтетиков».

Природа ошибается

В 2011 году американские ученые из Университета Джонса Хопкинса под руководством Джефа Боке (Jef Boeke) запустили проект по созданию синтетического генома (Synthetic Yeast Genome Project). Его цель — получение новой версии генома пекарских дрожжей Saccharomyces cerevisiae — Sc2.0. Почему именно дрожжей? Не только потому, что у этих эукариотов сравнительно маленький геном. Важно, что S.cerevisiae — один из самых изученных организмов на планете, и ученым известно, какие функции выполняют те или иные гены в клетках. Эти знания необходимы для того, чтобы построить «улучшенный» геном дрожжей.


Джеф Боке. Фото: hopkinsmedicine.org.

На самом деле геномы эукариотов далеки от идеала. Мало того что ДНК подвержена таким мутациям, как вставки и выпадения (делеции) нуклеотидов, удвоения участков или изменения структуры хромосом. В ней также могут присутствовать неработающие гены (псевдогены) и мобильные генетические элементы (ретротранспозоны), способные самовоспроизводиться и распространяться по всему геному.

Конечно, изменения в ДНК приводят к возникновению новых свойств и признаков у организмов, однако эволюция, двигателем которой служат случайные процессы, не следует принципам экономии и эффективности. В результате большая часть генома эукариотов состоит из ДНК, которая либо «мертва», либо занимается бесполезным для клетки самокопированием. Кроме того, из-за большого количества повторяющихся последовательностей геном теряет в стабильности, что делает его более подверженным мутациям. В отличие от природы, ученые могут целенаправленно перестраивать геномы так, чтобы оставалась только необходимая для жизнедеятельности ДНК.

Версия 2.0

В новой работе в рамках проекта Sc2.0 ученые синтезировали несколько хромосом S.cerevisiae, убрав из них все транспозоны, повторяющиеся последовательности ДНК и множество интронов — некодирующих белки участков гена. Более того, они перекодировали кодоны TAG — короткие фрагменты ДНК, состоящие из трех нуклеотидов (T, A и G). Дело в том, что в процессе транскрипции, когда на основе гена синтезируется матричная РНК (мРНК), TAG-кодоны конвертируются в UAG-кодоны (T заменяется на U). При синтезе белка мРНК проходит через рибосомы, а UAG служит стоп-сигналом, прерывающим процесс. Исследователи изменили TAG на TAA, который конвертируется в другой стоп-кодон — UAA.


Отдельная хромосома состоит из плотно упакованной спирали ДНК. Изображение: Chris Bickel / Science (2017)

Какой в этом смысл? Всего существует три стоп-кодона — UAG, UAA, и UGA. Однако процесс синтеза белка не прервется без наличия одного из двух белков, называемых факторами терминации трансляции, — RF1 и RF2. При этом RF1 «обслуживает» кодоны UAA и UAG, а RF2 — UAA и UGA. Если превратить все UAG в UAA, клетка уже не будет зависеть от RF1.

Еще одна модификация касается транспортных РНК (тРНК). Эти молекулы участвуют в синтезе белков и подобно грузовикам «подвозят» необходимые аминокислоты к растущей полипептидной цепи. Последовательности тРНК закодированы в генах, расположенных на разных хромосомах. Ученые переместили гены со своих мест в специально созданную хромосому, кодирующую только тРНК.

Природные хромосомы на искусственные очень трудно заменить в один шаг. Ученые воспользовались процессом гомологичной рекомбинации, когда происходит обмен фрагментами между похожими ДНК. Шаг за шагом исследователи заменяли участки хромосом длиной в 30-60 тысяч нуклеотидов. Разными хромосомами занимались разные лаборатории. В конце концов были получены отдельные штаммы дрожжей, в каждом из которых была заменена одна из хромосом. Для их объединения в одном организме штаммы скрещивали друг с другом.


Пекарские дрожжи. Фото: Mogana Das Murtey and Patchamuthu Ramasamy / Wikimedia

Таким образом удалось создать дрожжи, чей геном на одну треть является синтетическим. По оценкам авторов работы, всего на проект Sc2.0 может быть потрачено более миллиона долларов.

Для чего это надо

Ученые, занимающиеся синтетической геномикой, преследуют две цели. Во-первых, подробнее изучить функции хромосом, значение организации генома, других процессов, связанных с ДНК, а также влияние эволюционных процессов.

Во-вторых, исследования в этой области позволят создавать организмы с нужными свойствами. Например, ученые могут получить сообщества искусственных бактерий-биофабрик, производящих биотопливо или новые антибиотики. Последнее особенно актуально, поскольку в мире все большее распространение получают микроорганизмы, устойчивые к антибактериальным препаратам. Кроме того, синтетические существа способны выживать в таких экстремальных условиях, как шахтные воды, очищая их от тяжелых металлов и других загрязняющих веществ.

О вероятности возникновения жизни на Земле


О маловероятности самозарождения жизни. Ричард Докинз.

Материалы по теме:
Доплюнули до бога. Тайна зарождения и развития жизни раскрыта благодаря компьютерным моделям
Биологические факты, которые следует знать современному человеку, претендующему именоваться Homo sapiens
Сорок пять тысяч поколений: эволюция под микроскопом. Эта работа — блистательная демонстрация эволюции
Эволюцию никто не видел: как креационисты отвоёвывают позиции у Дарвина
Популярность креационизма в Европе объясняется не религиозностью, а научной безграмотностью
"Обезьянье дело": как теория эволюции через суд пробивалась в школы
Неприятие научного знания уходит корнями в детскую психологию
На русском языке издана книга Карла Циммера "Эволюция. Триумф идеи"
Доказательства эволюции. Эволюция - вся суть в картинках
Доказательства эволюции. Чем гипотезы и теории отличаются от доказанных фактов
Биологические факты, которые следует знать современному человеку, претендующему именоваться Homo sapiens
В какие лженаучные идеи верят россияне
Может ли наука доказать, что бога нет?
Земля и видимая Вселенная (иллюстрации)

 

К началу страницы
 

РУСКОЛАНЬ