Ави Леб о том, что наука наступила на грабли времен борьбы теологии против астрономии
Журнал «Scientific American» пообщался* с астрофизиком из Гарвардского университета Ави Лебом (Avi Loeb) по его книге "Extraterrestrial: The First Sign of Intelligent Life beyond Earth" и по более приземленным вопросам.
( Read more... )
( Read more... )
клетках тысячи генов «играют в одной команде» благодаря клеточной мембране, отделяющей
их от внешней среды. Чтобы возникла простейшая кооперация между разными РНК, одни из
которых занимаются копированием, а другие, например, готовят для этого деталинуклеотиды,
эти РНК должны как-то отделить свою тесную компанию от остального мира.
Тогда нуклеотиды пойдут на копирование только тех РНК, которые их делали, а копирующая
РНК будет копировать только себя и своих соседей, которые поставляют ей нуклеотиды. В
безграничном бульоне же эти нуклеотиды будут расплываться и достанутся всем соседям,
независимо от их вклада в общее дело. Копирующая РНК, которая попытается копировать не
только себя, но и другие молекулы, в условиях бульона не сможет отличить союзников от
прихлебателей и в итоге проиграет в конкуренции.
Ученые предложили два разных решения проблемы границ, которые по аналогии с
«первичным бульоном» были названы «первичная пицца» и «первичный майонез». В модели
«первичной пиццы», изложенной в книге «The Major Transitions in Evolution» (John Maynard
Smith, Eörs Szathmáry, 1995), предполагается, что жизнь зарождалась в виде тонкого слоя
органических молекул на поверхности глины (например, каолинита или смектита), частицы
которой состоят из тонких алюмосиликатных слоев. Глина может набухать, потому что
молекулы воды, как и другие катионы и анионы, внедряются между этими слоями,
увеличивая расстояния между ними.
Эксперименты показали, что глина довольно прочно связывает аминокислоты,
нуклеотиды, белки, РНК и другие биологические молекулы. На поверхности кристаллов
глины и между ее слоями они накапливаются в высокой концентрации даже из очень
разбавленного раствора. Адсорбирующие свойства глины используются и в быту: вы
наверняка видели смектит под названием «минеральный наполнитель для кошачьих
туалетов». На глине нуклеотиды самопроизвольно выстраиваются именно так, как нужно для
их «сшивания» в цепочку РНК. Длинные молекулы РНК очень редко отделяются от глины
полностью, но могут медленно перемещаться по ее поверхности, открепляясь то одним, то
другим концом. Математическое моделирование взаимодействия разных РНК на плоской
минеральной поверхности (Czaran T., Szathmary E., 2000) показало, что в таких условиях
легко образуются группы разных молекул, связанных взаимной помощью, а размножение
паразитов ограничено и не приводит к вымиранию кооперирующихся РНК. Так что, хотя
четких границ на минеральной поверхности нет, она достаточно ограничивает подвижность
РНК и нуклеотидов, чтобы могли появиться тесные группы взаимопомощи.
Еще один вклад минеральной подложки в возникновение жизни состоит в том, что она
может работать катализатором, т. е. ускорять химические реакции. Эта функция выходит на
первый план в тех вариантах модели «первичной пиццы», в которых в качестве минеральной
основы предлагается не глина, а сульфидные минералы - пирит (FeS2
), сфалерит (ZnS),
алабандин (MnS). Дальше в этой главе мы подробнее рассмотрим связь сульфидных
минералов с биохимией.
Модель «первичного майонеза» предложена Гарольдом Моровицем в книге «Mayonnaise
and The Origin of Life: Thoughts of Minds and Molecules». Она предполагает, что примитивные
аналоги клеточных мембран существовали с древнейших времен, еще до появления
самокопирующихся РНК. Иными словами, весь мир РНК существовал внутри протоклеток -
мелких жировых пузырьков. Теория «первичного майонеза» имеет меньше сторонников, чем
теория «первичной пиццы», потому что для протоклеток существует проблема питания:
нуклеотиды очень плохо проходят через мембраны. В современных клетках для этого
существуют специальные транспортные белки, но адекватного решения для поглощения
нуклеотидов примитивными протоклетками пока не найдено. Зато в модели «первичного
майонеза» достигается очень эффективное разделение молекул РНК на кооперирующиеся
группы, поэтому отвергать ее ученые не спешат. Более того, есть пути совмещения теорий
«первичной пиццы» и «первичного майонеза»: частицы глины, как оказалось, помогают
образованию мембранных пузырьков, при этом возникший пузырек окружает частицу глины
со всех сторон." - Глава 6 "Место происхождения жизни, «первичный бульон», пицца и
майонез - Сколько воды надо для появления жизни?"
Reply
воздействует на нуклеотидную цепочку, как и на любые органические молекулы, может
служить фактором отбора по следующим направлениям:
• отбор самых УФ-стойких азотистых оснований;
• отбор азотистых оснований, склонных образовывать комплементарные пары;
• отбор нуклеотидов одной хиральности из смеси правых и левых нуклеотидов (так
называемой рацемической смеси), потому что смесь правых и левых нуклеотидов в цепочке
нарушает стэкинг-взаимодействие;
• отбор длинных молекул РНК по сравнению с более короткими, потому что в длинных
цепочках стэкинг-взаимодействие увеличивает устойчивость к ультрафиолету;
• отбор молекул РНК, содержащих двуспиральные участки (шпильки), среди молекул со
случайными последовательностями, потому что в них больше нуклеотидов входят в состав
комплементарных пар.".
О версии про "курильщики", но совершенно не "белые", а как раз черные" сами читайте в Главе 6 раздел "Минеральный состав живых клеток" - https:// clck. ru/WJ94k (убрать пробелы в URL)
Reply
Как ни странно, до недавнего времени существование щелочных источников предсказывалось исключительно теорией, а знали их только благодаря нескольким отложениям ископаемых остатков. Самым известным, обнаруженным в окрестностях деревни Тина в Ирландии, около 350 миллионов лет. Именно они заставили Майка Рассела еще в 8о-х годах задуматься о возможности происхождения жизни в щелочных источниках. Исследовав под электронным микроскопом тонкие срезы пузырчатой породы, залегавшей неподалеку от ископаемого источника, он обнаружил, что некогда образовавшиеся в ней крошечные полости сходны по размеру с органическими клетками. Эти полости диаметром в одну десятую миллиметра или меньше оказались связаны друг с другом в сложную, похожую на лабиринт сеть. Рассел предположил, что такие минеральные клетки могут формироваться, когда жидкость из щелочного источника смешивается с кислой водой океана. Вскоре он успешно получил в лаборатории аналоги исследованной им пористой породы посредством смешивания щелочного и кислого растворов. В письме, опубликованном в 1988 году в журнале “Нейчур”, Рассел отмечал, что условия щелочных источников, судя по всему, делали их идеальными инкубаторами для жизни. В полостях откладываемых там пород естественным путем могли накапливаться органические вещества, а стенки этих полостей, сложенные из минералов, содержащих железо и серу (таких, как макинавит), придавали оболочкам неорганических клеток каталитические свойства, предугаданные Гюнтером Вехтерсхойзером. В статье 1994 года Рассел и его коллеги выдвинули следующее предположение:
"Жизнь возникла в растущих скоплениях пузырьков сульфида железа, заполненных щелочным и высоковосстановленным гидротермальным раствором. Эти пузырьки формировались гидростатически у горячих сульфидных подводных источников, располагавшихся на некотором расстоянии от центров океанического спрединга четыре миллиарда лет назад."
........
Reply
Так что щелочные источники, на которые обратил внимание Рассел, действительно вполне годятся на роль инкубатора жизни. Они составляют неотъемлемую часть системы, которая приводит в движение поверхность нашей планеты и поддерживает вулканическую активность. Они пребывают в неравновесном состоянии с океанами, непрерывно поставляя в них водород, реагирующий с углекислым газом с образованием органических веществ.
Они создают лабиринты пористых полостей, где задерживаются и концентрируются молекулы этих веществ, делая гораздо вероятнее (как мы убедимся в следующей главе) сборку полимеров, как РНК. Они долговечны: трубы Затерянного города действуют уже сорок тысяч лет - на два порядка дольше, чем большинство “черных курильщиков”. И их было куда больше в глубокой древности, когда остывающая мантия планеты чаще непосредственно контактировала с водой океанов. Кроме того, океанская вода в те времена была насыщена железом, так что стенки микроскопических полостей в щелочных источниках должны были обладать каталитическими свойствами, поскольку состояли из содержащих железо и серу минералов (как и ископаемые остатки источников из деревни Тина в Ирландии). При этом они могли работать как природные проточные реакторы, в которых термические и электрохимические градиенты обеспечивали циркуляцию жидких реагентов по системе полостей с каталитическими стенками.
........................
Все живое в наши дни обладает общим набором ключевых процессов обмена веществ, в основе которых лежит небольшой цикл реакций, называемый циклом Кребса (в честь немецкого ученого и нобелевского лауреата Ханса Кребса, открывшего этот цикл в 30-х годах в Шеффилде, где он работал после бегства от нацистов). Цикл Кребса - святая святых биохимии, хотя не одному поколению студентов он казался лишь пыльной реликвией, которую нужно вызубрить к экзаменам, а затем забыть как страшный сон.
Но цикл Кребса по праву получил свой культовый статус. В кабинетах университетских отделений биохимии - тех кабинетах, где на столах громоздятся стопки книг и статей, иногда соскальзывающих на пол и попадающих в корзину, из которой лет по десять не выбрасывают мусор, - на стене нередко можно найти приколотую булавками выцветшую, скрученную, потрепанную схему метаболических реакций. Студент, ожидающий возвращения преподавателя, смотрит на нее со смешанным чувством интереса и ужаса. Эти реакции поражают своей сложностью, напоминая нарисованную сумасшедшим схему метро, испещренную идущими во всех направлениях стрелочками, петляющими друг вокруг друга. Хотя эта схема и выцвела, на ней все-таки видно, что стрелки окрашены в разные цвета, обозначающие различные метаболические пути: красный - белковый, зеленый - липидный, и так далее. В нижней части схемы, отчего-то производя впечатление центра всей этой мешанины из стрелок, располагается кружок - может быть, единственный круг, да и вообще единственный упорядоченный элемент во всей схеме. Это и есть цикл Кребса. Разглядывая его, постепенно замечаешь, что почти все остальные стрелки на схеме так или иначе идут от цикла Кребса, как спицы смятого велосипедного колеса отходят от его оси. Он составляет центр всего, метаболическую основу клетки.
Теперь цикл Кребса не кажется такой уж пыльной реликвией. Недавние медицинские исследования показали, что он лежит в основе и физиологии, и биохимии клетки. Изменения скорости, с которой идет этот цикл, влияют на все, от энергетического уровня клетки до старения и рака. Но еще удивительнее, что цикл Кребса, как выяснилось, может идти и в обратную сторону. В норме этот цикл перерабатывает органические молекулы (поступающие в организм с пищей), образуя водород (которому предстоит сгореть в процессе дыхания, соединяясь с кислородом) и углекислый газ. Таким образом, цикл Кребса поставляет не только вещества-предшественники, с которых начинаются метаболические пути, но и небольшие порции водорода, позволяющие генерировать энергию в виде молекул АТФ. Идущий в обратном направлении цикл Кребса выполняет противоположную функцию: он поглощает углекислый газ с водородом и производит новые молекулы органических веществ, на основе которых синтезируются все основные “строительные блоки” жизни. При этом он уже не выделяет энергию, а поглощает ее, расходуя молекулы АТФ.
Reply
Этот обратный ход цикла Кребса нечасто встречается даже у бактерий, но довольно широко распространен у тех из них, что живут в гидротермальных источниках. Ясно, что это важный, хотя и примитивный способ синтезировать из углекислого газа необходимые клетке “строительные блоки”. Гарольд Моровиц, новатор-биохимик, работавший некогда в Йельском университете, а теперь работающий в Институте перспективных исследований Красноу в Ферфаксе (штат Виргиния), посвятил не один год изучению свойств обратного цикла Кребса. В общих чертах его вывод состоит в том, что если все ингредиенты имеются в достаточном количестве, то цикл будет идти сам по себе. Механизм очень простой. Если концентрация одного промежуточного соединения возрастает, оно активнее будет превращаться в следующее промежуточное соединение цикла. Из всевозможных молекул органических веществ молекулы цикла Кребса - самые стабильные, а значит и возникающие с наибольшей вероятностью. Иными словами, цикл Кребса не был “изобретен” генами, а относится к сфере вероятностной химии и термодинамики. В результате эволюции гены научились управлять этим циклом подобно дирижеру, который отвечает за интерпретацию партитуры (музыкальный темп и различные тонкости), но не за саму музыку. Эта музыка, музыка сфер, уже давно существовала.
.............
Мартин и Рассел начали с основ - с притока углерода в органический мир. Они отметили, что сегодня существует лишь пять метаболических путей, позволяющих растениям и бактериям включать водород и углекислый газ в состав живой природы, синтезируя органические вещества. Один из таких путей, как мы уже убедились, - обратный цикл Кребса. Четыре из этих пяти путей (в том числе обратный цикл Кребса) требуют расхода АТФ, а значит, могут работать только при притоке энергии извне. Но пятый путь - прямая реакция водорода с углекислым газом не только производит органические вещества, но и приводит к выделению энергии. Две группы древних организмов делают именно это через ряд в целом сходных этапов. С одной из этих двух групп мы уже встречались - это археи, которые процветают в поле гидротермальных источников Лост-Сити.
Если Мартин и Рассел правы, то четыре миллиарда лет назад, на заре жизни, древние предки этих архей осуществляли тот же самый набор реакций в почти идентичных условиях. Но реакция водорода с углекислым газом не так прямолинейна, как могло бы показаться, поскольку эти два вещества не реагируют самопроизвольно. Они довольно “робкие”, и чтобы уговорить их станцевать вдвоем, нужен катализатор, а также небольшой приток энергии. Только тогда они соединятся друг с другом, выделив при этом несколько больше энергии. Требуемый катализатор довольно прост. Ферменты, катализирующие эту реакцию в наши дни, работают за счет небольших центров, где сгруппированы железо, никель и сера, образуя структуру, очень похожую на один из минералов, встречающихся в гидротермальных источниках. Это заставляет предположить, что древнейшие клетки просто включили в свой состав уже готовый катализатор, и указывает на внушительный возраст этого метаболического пути, поскольку он не предполагает эволюции сложных белков. По выражению Мартина и Рассела, этот путь ведет к минералам.
Энергию, необходимую для инициирования данного процесса, по крайней мере в мире щелочных источников, поставляют сами источники. Их участие в этом деле выдает неожиданный продукт реакции - химически активное производное уксусной кислоты ацетилтиоэфир6. Ацетилтиоэфиры образуются в связи с тем, что углекислый газ довольно устойчив и противостоит попыткам водорода взаимодействовать с ним, но уязвим для более активных углеродных или серных свободных радикалов, имеющихся в щелочных источниках. По сути, энергия, требуемая для того, чтобы “уговорить” углекислый газ реагировать с водородом, поступает из самих источников в форме химически активных свободных радикалов, которые приводят к образованию ацетилтиоэфиров.
Reply
Ник Лэйн . "Лестница жизни. Десять величайших изобретений эволюции"
http://flibusta.is/b/399529
И далее по списку. Проблема глины в том, что она не предоставляет необходимые базовые вещества, в отличии от глубинных океанических источников. А ультрафиолет вообще дело десятое, он мог и через десятки миллионов лет после появления жизни хоть какое то влияние начать оказывать, а то и через сотни.
Reply
Reply
Leave a comment