Биохимик Р. Шапиро критикует гипотезу РНК-мира, считая, что вероятность спонтанного возникновения РНК, обладающей каталитическими свойствами, очень низка. Согласно этой гипотезе, первые репликаторы на Земле были представлены РНК-молекулами, способными к самовоспроизведению без участия белковых ферментов. Гипотеза РНК-мира для ЕГЭ по биологии. Согласно гипотезе мира РНК, на заре жизни за Земле молекулы РНК были как носителями наследственной информации, так и ферментами (рибозимами). Согласно гипотезе мира РНК, на заре жизни за Земле молекулы РНК были как носителями наследственной информации, так и ферментами (рибозимами).
Гипотеза РНК-мира для ЕГЭ по биологии
Источник: Википедия Связанные понятия Центральная догма молекулярной биологии — обобщающее наблюдаемое в природе правило реализации генетической информации: информация передаётся от нуклеиновых кислот к белку, но не в обратном направлении. Last universal common ancestor, LUCA, или Last universal ancestor, LUA — наиболее недавняя популяция организмов, от которой произошли все организмы, ныне живущие на Земле. Последнего универсального общего предка не следует путать с первым живым организмом на Земле. Считается, что LUCA жил 3,5—3,8 миллиарда лет назад в палеоархейскую эру или 4,5 млрд лет назад. Окаменелых останков... Экзонуклеазы — белки из группы нуклеаз, отщепляющие концевые мононуклеотиды от полинуклеотидной цепи путём гидролиза фосфодиэфирных связей между нуклеотидами. Данный процесс называется обратной транскрипцией, так как передача генетической информации при этом происходит в «обратном», относительно транскрипции, направлении. Идея обратной транскрипции вначале была очень непопулярна, так как противоречила центральной догме молекулярной биологии, которая предполагала, что ДНК транскрибируется в РНК и далее транслируется в белки. Однако в 1970 году Темин...
Третичная структура или трёхмерная структура — пространственное строение включая конформацию всей молекулы белка или другой макромолекулы, состоящей из единственной цепи. Химическая эволюция или пребиотическая эволюция — этап, предшествовавший появлению жизни, в ходе которого органические, пребиотические вещества возникли из неорганических молекул под влиянием внешних энергетических и селекционных факторов и в силу развертывания процессов самоорганизации, свойственных всем относительно сложным системам, которыми, бесспорно, являются все углеродосодержащие молекулы. Первичная структура англ. Для стандартного биополимера, в молекуле которого нет разветвлений и перекрестных связей например, ДНК, РНК или белков понятие первичной структуры является синонимом последовательности остатков мономеров нуклеотидов или аминокислот. Считается, что термин «первичная структура» был впервые употреблён Линнерстрёмом-Лангом... Для сокращенного обозначения пользуются большими латинскими буквами. Аденин и гуанин являются производными пурина, а цитозин, урацил и тимин — производными пиримидина. Рибонуклеазы классифицируют на эндорибонуклеазы и экзорибонуклеазы.
К рибонуклеазам относят некоторые подклассы КФ 2. Остаток в биохимии и молекулярной биологии — структурная единица биополимера, состоящего из аминокислот и сахаров; часть мономера, которая остаётся неизменной после включения его в биополимер. Например, остатками принято называть аминокислотные звенья, входящие в состав пептида. Остатки уже не являются аминокислотами, так как в результате реакции конденсации, они утратили по одному атому водорода из аминогруппы и гидроксил, входящий в состав карбоксильной группы. Кроме того, остатками также считаются...
Исследования показали, что рибозим, способный катализировать расщепление других молекул, мог возникнуть спонтанно, так как для его функционирования требовалось лишь несколько консервативных оснований. Однако оставалась проблема: как такое свойство могло сохраниться в процессе биохимической эволюции. Ученые разработали модель, имитирующую случайные разрывы в простых молекулах РНК без ферментативной активности. В результате образовывались короткие цепочки РНК, которые действовали как праймеры для синтеза более длинных цепей. Этот механизм приводил к образованию множества копий разрушенного полимера, похожего на регенерацию червей. В другой модели способные к спонтанному образованию рибозимы, катализирующие расщепление, добавлялись к пулу полимерных цепей, которые затем разрезались при столкновении.
Этот процесс позволял созданию молекул РНК, действующих как рибозимы типа hammerhead, способных к саморасщеплению, и, таким образом, начиналось их самовоспроизводство. Репликация полимера осуществлялась за счет циклического изменения температуры между горячей и холодной фазами, что может указывать на то, что древние полимеры могли зависеть от таких циклов для своего размножения. Неорганические поверхности, вроде камней, также могли способствовать этому процессу размножения.
Этот процесс приводил к самовоспроизводству энзимов. Репликация полимера происходила за счет циклического изменения температуры между горячей и холодной фазами, что поддерживало процесс размножения. Возможно, древние полимеры зависели от таких циклов для своего размножения. Дополнительно, неорганические поверхности, такие как камни, могли способствовать этому процессу. Эти открытия выявляют новые механизмы, которые могли способствовать зарождению жизни на Земле и поддержанию процессов самовоспроизводства. Они указывают на то, что процессы, касающиеся первичной жизни и РНК-мира, могли иметь множество путей развития, включая спонтанные образования рибозимов и циклические изменения окружающей среды, способствующие репликации полимеров.
Исследования по гипотезе РНК-мира: возникновение саморепликации
На этом этапе к битве подключился геолог Майк Расселл. Он посчитал, что теория гидротермальных источников может быть вполне верной. Более того, ему показалось, что эти источники будут идеальным домом для прекурсоров организма Вахтершаузера. Это вдохновение привело его к созданию одной из самых широко признанных теорий происхождений жизни. Геолог Майкл Расселл В карьере Расселла было много интересных вещей — он делал аспирин, разыскивая ценные минералы — и в одном замечательном происшествии 1960-х годов координировал реагирование на возможное извержения вулкана, несмотря на отсутствие подготовки. Но его больше интересовало, как менялась поверхности Земли на протяжении эпох. Эта геологическая перспектива и позволила сформироваться его идеям о происхождении жизни.
В 1980-х годах он обнаружил ископаемые свидетельства менее бурного типа гидротермального источника, в котором температуры не превышали 150 градусов по Цельсию. Эти мягкие температуры, по его словам, могли позволить молекулам жизни жить дольше, чем полагал Миллер. Более того, ископаемые остатки этих «прохладных» жерл содержали нечто странное: минерал пирит, состоящий из железа и серы, сформировался в трубочках диаметром 1 мм. Работая в лаборатории, Расселл обнаружил, что пирит также может формировать сферические капли. И предположил, что первые сложные органические молекулы могли образоваться внутри этих простых пиритовых структур. Железный пирит Примерно в это же время Вахтершаузер начал публиковать свои идеи, в основе которых был поток горячей химически обогащенной воды, протекающей через минералы.
Он даже предположил, что в этом процессе участвовал пирит. Расселл сложил два плюс два. Он предположил, что гидротермальные источники на глубине моря, достаточно холодные, чтобы позволить образоваться пиритовым структурам, приютили прекурсоры организмов Вахтершаузера. Если Расселл был прав, жизнь началась на дне моря — и сначала появился метаболизм. Расселл собрал это все в статье, опубликованной в 1993 году, 40 лет спустя после классического эксперимента Миллера. Она не вызвала такого же ажиотажа в СМИ, но была, возможно, более важной.
Расселл объединил две, казалось бы, отдельные идеи — метаболические циклы Вахтершаузера и гидротермальные источники Корлисса — в нечто по-настоящему убедительное. Расселл даже предложил объяснение того, как первые организмы получали свою энергию. То есть он понял, как мог бы работать их метаболизм. Его идея опиралась на работу одного из забытых гениев современной науки. Питер Митчелл, нобелевский лауреат В 1960-х годах биохимик Питер Митчелл заболел и был вынужден уйти в отставку из Университета Эдинбурга. Вместо этого он создал частную лабораторию в отдаленном поместье в Корнуолле.
Изолированный от научного общества, он финансировал свою работу за счет стада молочных коров. Многие биохимики, в том числе и Лесли Оргел, чью работу по РНК мы обсудили во второй части, считали идеи Митчелла совершенно нелепыми. Спустя несколько десятков лет Митчелла ждала абсолютная победа: Нобелевская премия по химии 1978 года. Он не стал знаменитым, но его идеи сегодня в каждом учебнике по биологии. Свою карьеру Митчелл провел, выясняя, что организмы делают с энергией, которую получают из пищи. По сути, он задавался вопросом, как всем нам удается оставаться в живых каждую секунду.
Он знал, что все клетки хранят свою энергию в одной молекуле: аденозинтрифосфате АТФ. К аденозину крепится цепочка из трех фосфатов. Добавление третьего фосфата требует много энергии, которая затем запирается в АТФ. Может ли искусственный интеллект уничтожить человечество уже к 2035 году? Когда клетка нуждается в энергии — например, когда сокращается мышца — она разбивает третий фосфат в АТФ. Митчелл хотел узнать, как клетка вообще создает АТФ.
Как она накапливает достаточно энергии в АДФ, чтобы прикрепить третий фосфат? Митчелл знал, что фермент, образующий АТФ, находится в мембране. Поэтому предположил, что клетка закачивает заряженные частицы протоны через мембрану, поэтому много протонов находится по одну сторону, а по другую — нет. Затем протоны пытаются просочиться обратно через мембрану, чтобы уравновесить число протонов по каждую сторону — но единственное место, через которое они могут пройти, это фермент. Поток текущих протонов, таким образом, обеспечивал фермент энергией, необходимой для создания АТФ. Впервые Митчелл изложил свою идею в 1961 году.
Следующие 15 лет он провел, защищая ее со всех сторон, пока доказательства не стали неопровержимыми. Теперь мы знаем, что процесс Митчелла используется каждым живым существом на Земле. Прямо сейчас он протекает в ваших клетках. Как и ДНК, он лежит в основе известной нам жизни. Расселл позаимствовал у Митчелла идею протонного градиента: наличие большого количества протонов на одной стороне мембраны и немногого — на другой. Все клетки нуждаются в протонном градиенте, чтобы хранить энергию.
Современные клетки создают градиенты, откачивая протоны через мембраны, но для этого нужен сложный молекулярный механизм, который просто не мог появиться сам по себе. Поэтому Расселл сделал еще один логический шаг: жизнь должна была сформироваться где-то с естественным протонным градиентом. Например, где-то у гидротермальных источников. Но это должен быть особенный тип источника. Когда Земля была молодой, моря были кислыми, а в кислой воде много протонов. Чтобы создать протонный градиент, вода из источника должна быть с низким содержанием протонов: она должна быть щелочной.
Источники Корлисса не подходили. Они не только были слишком горячими, но еще и кислыми. Но в 2000 году Дебора Келли из Вашингтонского университета обнаружила первые щелочные источники. Ее отец умер, когда она заканчивала среднюю школу, и она была вынуждена работать, чтобы остаться в колледже. Но справилась и выбрала предметом своего интереса подводные вулканы и обжигающие горячие гидротермальные источники. Эта пара и привела ее в центр Атлантического океана.
В этом месте земная кора треснула и с морского дна поднялся хребет гор. На этом хребте Келли обнаружила поле гидротермальных источников, которое назвала «Потерянным городом». Они не были похожи на обнаруженные Корлиссом. Вода вытекала из них при температуре 40-75 градусов по Цельсию и была слегка подщелоченной. Карбонатные минералы из этой воды слипались в крутые белые «столбы дыма», которые поднимались с морского дна подобно трубам органа. На вид они жуткие и призрачные, но это не так: в них обитает множество микроорганизмов.
Эти щелочные жерла идеально вписывались в идеи Расселла. Он твердо поверил в то, что жизнь появилась в таких «потерянных городах». Но была одна проблема. Будучи геологом, он знал не так много о биологических клетках, чтобы убедительно представить свою теорию. Столб дыма «черной курилки» Поэтому Расселл объединился с биологом Уильямом Мартином. В 2003 году они представили улучшенный вариант прежних идей Расселла.
И это, наверное, самая лучшая теория появления жизни на данный момент. Благодаря Келли, теперь они знали, что породы щелочных источников были пористыми: они были усеяны крошечными отверстиями, наполненными водой. Эти крошечные кармашки, предположили они, действовали в качестве «клеток». В каждом кармашке находились основные химические вещества, в том числе и пирит. В сочетании с естественным протонным градиентом от источников, они были идеальным местом для начала метаболизма. После того, как жизнь научилась использовать энергию вод источников, говорят Расселл и Мартин, она начала создавать молекулы вроде РНК.
В конце концов, она создала себе мембрану и стала настоящей клеткой, сбежав из пористой породы в открытую воду. Такой сюжет в настоящее время рассматривается в качестве одной из ведущих гипотез о происхождении жизни. Клетки бегут из гидротермального источника В июле 2016 года он получил поддержку, когда Мартин опубликовал исследование, реконструирующее некоторые детали « последнего универсального общего предка » LUCA. Это организм, который жил миллиарды лет назад и от которого произошла вся существующая жизнь. Едва ли мы когда-нибудь найдем прямые окаменевшие доказательства существования этого организма, но тем не менее вполне можем делать обоснованные предположения о том, как он выглядел и чем занимался, изучая микроорганизмы наших дней. Это и проделал Мартин.
Он исследовал ДНК 1930 современных микроорганизмов и идентифицировал 355 генов, которые были почти у всех. Это убедительно говорит о передаче этих 355 генов, через поколения и поколения, от общего предка — примерно того времени, когда жил последний универсальный общий предок. Эти 355 генов включают некоторые для использования протонного градиента, но для генерации оного — нет, как и предсказывали теории Расселла и Мартина. Более того, LUCA, похоже, был адаптирован к присутствуют химических веществ вроде метана, что наводит на мысли, что он населял вулканически активную среду — по типу жерла. Сторонники гипотезы «мира РНК» указывают на две проблемы в этой теории. Одну можно поправить; другая может быть фатальной.
Гидротермальные источники Первая проблема в том, что экспериментальных доказательств описанных Расселлом и Мартином процессов нет. У них есть пошаговая история, но ни один из этих шагов не наблюдался в лаборатории. Он построил «реактор происхождения жизни», который имитирует условия внутри щелочного источника. Он надеется увидеть метаболические циклы, а может даже и молекулы вроде РНК. Но пока еще рано. Вторая проблема заключается в расположении источников в глубоком море.
Как отмечал Миллер в 1988 году, длинноцепочечные молекулы вроде РНК и белков не могут формироваться в воде без вспомогательных ферментов. Для многих ученых это фатальный аргумент. И все же Расселл и его союзники остаются оптимистами. И только в последнее десятилетие на первый план вышел третий подход, подкрепленный серией необычных экспериментов. Он обещает нечто, чего не удалось добиться ни «миру РНК», ни гидротермальным источникам: способ создать целую клетку с нуля. Часть пятая: так как же всё-таки создать клетку?
К началу 2000-х годов ученые выделили две ведущие идеи о том, как могла появиться жизнь. Сторонники «РНК-мира» были убеждены, что жизнь началась с самовоспроизводящейся молекулы. В то же время ученые в лагере «сначала метаболизм» считают, что жизнь могла появиться в гидротермальных жерлах на дне океана. И все же на передний план вышла третья идея. Каждое живое существо на Земле состоит из клеток. Каждая клетка — это по сути мягкий шарик, мешочек, с жесткой внешней стенкой, или «мембраной».
Задача клетки — удерживать все предметы первой необходимости вместе. Если наружная стенка порвется, внутренности выльются наружу и клетка умрет — так же, как и выпотрошенный человек. Человечество изменило сушу до неузнаваемости. Но что насчет воды? Наружная стенка клетки настолько важна, что некоторые исследователи происхождения жизни даже считают, что она появилась прежде всего. Они считают, что подходы «сперва генетика», который мы обсудили во второй части, и «сперва метаболизм», который мы обсудили в четвертой части, ошибочны.
Все живые предметы состоят из клеток Идея Луизи проста, и с ней трудно спорить. Каким образом вы собрались создавать рабочую метаболическую систему или самовоспроизводящуюся РНК, каждый из которых опирается на наличие большого количества химических веществ в одном месте, если вы сначала не сделаете контейнер, который удерживает все молекулы вместе. Если вы с этим согласны, есть только один способ, с которого могла начаться жизнь. Каким-то образом, в жаре и буре ранней Земли, неколько сырых материалов сложились в грубые клетки, или «протоклетки». Осталось только повторить это в лаборатории: создать простую живую клетку. Идеи Луизи можно проследить аж до Александра Опарина и рассвета науки о происхождении жизни в СССР, которых мы обсудили в первой части.
Опарин подчеркнул тот факт, что некоторые химические вещества образуют сгустки — коацерваты — которые могут держать другие вещества внутри. Он предположил, что коацерваты были первыми протоклетками. Любое жирное или маслянистое вещество будет образовывать сгустки или пленки в воде. Эти химические вещества известны в общем как липиды. Соответственно, гипотезу о том, что с них начала жизнь, назвали «липидным миром». Но просто сформировать сгустки недостаточно.
Они должны быть стабильными, уметь делиться на «дочерние» сгустки и хоть немного контролировать, что проходит внутрь и выходи наружу — и все это без сложных белков, которые используют современные клетки для этих задач. Появилась задача собрать такие протоклетки из всего необходимого материала. Несмотря на множество попыток за много лет, Луизи так и не сделал ничего хоть мало-мальски убедительного. И тогда, в 1994 году, он осмелился сделать дерзкое предположение. Он предположил, что первые протоклетки должны были содержать РНК. Более того, эта РНК должна была уметь воспроизводиться внутри протоклетки.
Как-то клетка все же появилась И вот, его гипотеза стала очень сложной и отошла от чистого подхода «сперва компартментализация». Но у Луизи были веские доводы. Клетка с внешними стенками, но без внутренностей, мало что может. Возможно, она могла бы делиться на дочерние клетки, но не передавала бы никакой информации о себе потомству. Она могла начать развиваться и становиться более сложной только при наличии некоторых генов. Вскоре эта идея обрела сильного сторонника в лице Джека Шостака, работу которого на тему «мира РНК» мы изучили в третьей части.
Луизи был членом лагеря «сперва компартментализация», Шостак поддерживал «сперва генетику», и много лет они не встречались с глазу на глаз. Почти вся жизнь одноклеточная «Мы встречались на собраниях на тему происхождения жизни и затевали эти длинные дискуссии на тему того, что было важнее и что пришло первым», вспоминает Шостак. Мы пришли к общему мнению, что для возникновения жизни важно иметь и компартментализацию, и генетическую систему». В 2001 году Шостак и Луизи изложили свое видение этого единого подхода. В работе, опубликованной в Natire, они заявили, что должно быть возможность создать простую живую клетку с нуля, разместив реплицирующуюся РНК в обычной капле жира. Очень скоро Шостак решил полностью посвятить себя ей.
Рассудив, что «мы не можем излагать эту теорию, ничем ее не подкрепив», он решил начать экспериментировать с протоклетками. Спустя два года Шостак и двое его коллег объявили о большом успехе. Везикулы — это простые контейнеры, состоящие из липидов Они экспериментировали с везикулами: сферическими каплями с двумя слоями жирных кислот на внешней стороне и центральным жидким ядром. Пытаясь найти способ ускорить создание везикул, они добавили малые частички глины под названием монтмориллонит. Везикулы начали формироваться в 100 раз быстрее. Поверхность глины выступили катализатором, как некий фермент.
Более того, везикулы могли поглощать как частицы монтморрилонита, так и цепи РНК с поверхности глины. Теперь эти протоклетки уже содержали гены и катализатор, и все из одной простой добавки. Решение добавить монтмориллонит было принято не просто так. За несколько десятилетий много работ предположили, что монтмориллонит и подобные ему глины могли иметь важное значение для происхождения жизни. Кусок монтмориллонита Монтмориллонит — это обычная глина. В настоящее время она используется для самых разных дел, из нее даже кошачий наполнитель делают.
Образуется она, когда вулканический пепел расщепляется погодой. Поскольку ранняя Земля изобиловала вулканами, кажется вероятным, что на ней было и много монтмориллонита. Еще в 1986 году химик Джеймс Феррис показал, что монтмориллонит выступает катализатором, который помогает формироваться органическим молекулам. Позже он обнаружил, что глина также ускоряет формирование малых РНК. Заходите в наш специальный Telegram-чат. Там всегда есть с кем обсудить новости из мира высоких технологий.
И тогда Феррис предположил, что эта невзрачная глина могла быть местом зарождения жизни. Шостак принял эту идею и включил ее в работу, используя монтмориллонит для строительства своих протоклеток. Годом спустя Шостак обнаружил, что его протоклетки могут расти сами по себе. Чем больше молекул РНК оказывалось в протоклетке, тем выше было давление на наружную стенку. Похоже, желудок протоклетки был забит и она была готова сходить по-большому. Чтобы компенсировать это, протоклетка приняла больше жирных кислот и включила их в стенки, благодаря чему раздулась еще больше и ослабила напряжение.
Что важно, она взяла жирные кислоты из других протоклеток, в которых было меньше РНК, заставив их сократиться. Будто бы протоклетки соперничали и та, у которой было больше РНК, побеждала. Но если протоклетки могут расти, может они и делиться могут? Сможет ли протоклетка Шостака воспроизвести себя? Клетки делятся на два Первые эксперименты Шостака показали, что способ деления протоклеток действительно есть. Если сжать ее в небольшом отверстии и вытянуть в трубочку, протоклетка разрывается, формируя «дочерние» протоклетки.
Эта идея была неплохой, потому что в ней не участвовал никакой клеточный механизм: просто давление. Но такое решение было не самым лучшим, поскольку протоклетки теряли часть содержимого в этом процессе. Это также означало, что первые клетки могли делиться лишь проталкиваясь через крошечные отверстия. Существует множество способов заставить везикулы делиться. Например, можно добавить сильный поток воды. Осталось только заставить протоклетки делиться и не терять кишки.
В 2009 году Шостак и его студент Тинг Чжу нашли решение. Они сделали немного более сложные протоклетки с наружными стенками в несколько слоев, напоминающие слои лука. Несмотря на такую сложность, эти протоклетки все еще было просто создать. Когда Чжу кормил их жирными кислотами, протоклетки росли и меняли форму, вытягиваясь в длинные канатоподобные цепочки. После того, как протоклетка становилась достаточно длинной, легкой приложенной силы достаточно, чтобы разбить ее на десятки мелких дочерних протоклеток. Более того, протоклетки могли повторять цикл постоянно, дочерние протоклетки росли и делились.
Эту часть проблему, похоже, решили. В последующих экспериментах Чжу и Шостак нашли еще больше способов заставить протоклетки делиться. Но все равно протоклеткам многого недоставало. Чтобы показать, что его протоклетки могли быть первой жизнью на Земле, Шостаку нужно было заставить РНК внутри них воспроизводиться. В будущем мир ожидает спад рождаемости. Что это значит для человечества?
Это было нелегко, поскольку, несмотря на десятилетия попыток — изложенных в третьей части, — никто так и не смог заставить РНК самовоспроизводиться. Эта же проблема загнала Шостака в угол в ходе его первых работ над «миром РНК», и никому другому не удалось ее решить.
Исследование, опубликованное в журнале eLife, представляет собой модель, которая имитирует случайное разрушение простых РНК-молекул. В ходе экспериментов возникали короткие цепочки РНК, способные служить затравками для синтеза более длинных молекул.
Этот процесс приводил к формированию большого количества копий исходного полимера, подобно процессу регенерации у червей, разделенных на части. В дополнение к этому, ученые разработали вторую модель, в которой добавляли способные к самообразованию рибозимы к пулу РНК-цепочек.
Оказалось, что рибозим, который способен расщеплять другие молекулы, может возникнуть спонтанно, поскольку для обеспечения его функции необходимы только несколько консервативных оснований.
Однако оставалась проблема, как именно это свойство сохранилось в ходе биохимической эволюции. Исследователи разработали модель, которая имитирует случайные разрывы в простых молекулах РНК, лишенные ферментативной активности. В результате возникали короткие цепочки РНК, которые действовали как праймеры — затравки для синтеза более длинных цепей РНК.
Этот неферментативный механизм приводил к образованию большого количества копий разрушенного полимера, подобно тому, как регенерируют черви, разрезанные на сегменты.
Если РНК-лигаза, которую синтезировал данный вариант РНК-полимеразы, была функциональна, то она сшивала разрыв, и вся конструкция могла быть выделена с помощью бусин со стрептавидином. К сожалению, мы не можем показать эту иллюстрацию, так как статья закрытая. В итоге удалось получить рибозимы, обладающие необходимой — беспрецедентно высокой, подчеркивают авторы — точностью. Лучше всего показал себя рибозим, отличающийся от ранее полученного варианта десятью точечными мутациями и обозначенный 71-89 для его получения потребовался в общей сложности 71 раунд эволюции.
Затем авторы сравнили новую высокоточную РНК-полимеразу и РНК-полимеразу с низкой точностью по способности синтезировать hammerhead и проводить раунды его эволюции. Процесс был организован так же, как в эксперименте 2020 года: о качестве полимеризации говорила способность готовой РНК-структуры к саморасщеплению, соответственно, успешные молекулы hammerhead «проходили в следующий тур» и становились матрицами для синтеза новых копий. Полимераза с низкой точностью могла поддерживать каталитические свойства субстрата лишь в течение нескольких поколений. Высокоточная полимераза не только справилась с этой задачей на протяжении восьми раундов, но и создала молекулы, превосходящие стартовый вариант по «приспособленности» интересно, что они могли хуже разрезать сами себя, но лучше копировались полимеразой. Таким образом, впервые рибозимы in vitro были использованы для репликации и эволюции других функциональных РНК.
Эффективный полимеразный рибозим подкрепил гипотезу мира РНК
Пост автора «Хайтек+» в Дзене: Найдено подтверждение гипотезы «РНК-мира» Эволюция, по определению Дарвина, это наследование с модификациями. Основной гипотезой о появлении ДНК и первых клеток в настоящее время является гипотеза РНК-мира, согласно которой сначала происходило образование молекул РНК. ELife: обнаружено случайное возникновение самовоспроизводящихся молекул Ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории опубликовали статью в журнале eLife, в которой сообщили об обнаружении новых доказательств гипотезы РНК-мира. РНК постепенно превратилась в постоянно совершенствующийся катализатор связывания аминокислот Эта связь между РНК и пептидами или белками сохранилась и по сей день Таким образом, мир РНК-пептидов решает проблему курицы и яйца». Биохимик Р. Шапиро критикует гипотезу РНК-мира, считая, что вероятность спонтанного возникновения РНК, обладающей каталитическими свойствами, очень низка.
Исследования по гипотезе РНК-мира: возникновение саморепликации
Что это значит для человечества? Это было нелегко, поскольку, несмотря на десятилетия попыток — изложенных в третьей части, — никто так и не смог заставить РНК самовоспроизводиться. Эта же проблема загнала Шостака в угол в ходе его первых работ над «миром РНК», и никому другому не удалось ее решить. Поэтому он вернулся и перечитал работу Лесли Оргела, который так долго работал над гипотезой РНК-мира. В этих пыльных бумагах обнаружились ценные подсказки. Оргел провел много времени с 1970-х по 1980-е, изучая копирование цепей РНК. Первая клетка должна была вмещать химию жизни По сути все просто.
Возьмите одну цепь РНК и набор свободных нуклеотидов. Затем, используя эти нуклеотиды, соберите вторую цепь РНК, комплементарную первой. Сделав это дважды, вы получите копию оригинальной «CGC», только окольным путем. Оргел обнаружил, что при определенных обстоятельствах цепи РНК могут копироваться таким образом без какой-либо помощи ферментов. Возможно, именно так первая жизнь создала копии своих генов. К 1987 году Оргел мог взять цепь РНК длиной в 14 нуклеотидов и создать дополняющие цепи длиной тоже в 14 нуклеотидов.
Больше ему сделать не удалось, но этого было достаточно, чтобы заинтриговать Шостака. Его ученица Катажина Адамала попыталась запустить такую реакцию в протоклетках. Они обнаружили, что для работы такой реакции нужен магний. Но магний уничтожил протоклетки. Впрочем было и простое решение: цитрат, который почти идентичен лимонной кислоте и который присутствует во всех живых клетках. В исследовании, опубликованном в 2013 году, они добавили цитрат и обнаружили, что тот обволок магний, защищая протоклетки и позволяя шаблону продолжать копироваться.
Другими словами, им удалось сделать то, что Луизи предлагал в 1994 году. Протоклетки Шостака могут жить в сильном тепле Всего за десять лет исследований команде Шостака удалось совершить невероятное. Они создали протоклетки, которые сохраняют свои гены, при этом забирая полезные молекулы снаружи. Эти протоклетки могут расти и делиться и даже соперничать между собой. РНК может воспроизводиться внутри них. С какой стороны ни посмотри, они были похожи на первую жизнь.
Как собаки понимают человеческий язык? Еще они были весьма устойчивыми. В 2008 году группа Шостака обнаружила, что эти протоклетки могут переживать нагрев до 100 градусов по Цельсию, температуры, которая уничтожает большинство современных клеток. Следовательно, эти протоклетки были похожи на первую жизнь, которая должна была переживать сильное тепло от постоянных ударов метеоритов. Тем не менее, на первый взгляд, подход Шостака идет вразрез с 40 годами исследований происхождения жизни. Вместо того чтобы озадачиться «сперва воспроизводством» или «сперва компартментализацией», он решил делать оба дела сразу.
Молекулы жизни ведут себя крайне сложно Это открывает путь к новому подходу к поиску происхождения жизни — единому, объединенному, унифицированному подходу. Он должен охватить все функции первой жизни сразу и одновременно. Эта гипотеза «сперва всё» уже насобирала достаточно свидетельств и может решить все проблемы существующих идей. Часть шестая: великое объединение На протяжении второй половины 20-го века исследователи происхождения жизни работали каждые в своем лагере. Каждая группа настаивала на собственной версии развития событий и старалась уничтожить конкурирующие гипотезы. Такой подход был безусловно успешным, о чем свидетельствуют предыдущие главы, но каждая перспективная идея о происхождении жизни в конечном счете наталкивалась на серьезную проблему.
Так что некоторые исследователи сейчас пытаются найти более единый подход. Несколько лет назад эта идея получила мощный толчок, благодаря результату, поддерживающему устоявшуюся теорию «мира РНК». К 2009 году у сторонников мира РНК была большая проблема. Они не могли сделать нуклеотиды, строительные блоки РНК, как если бы это происходило в условиях ранней Земли. Это и привело людей к мысли, что первая жизнь вовсе не была построена на РНК, как мы выяснили в третьей части. Земля — единственное место, где есть жизнь.
Пока Джон Сазерленд думал об этой проблеме с 1980-х. Большинство научно-исследовательских институтов заставляют своих сотрудников постоянно генерировать новые работы, но LMB нет. Поэтому Сазерленд мог хорошенько обдумать, почему сделать нуклеотид РНК так сложно, и провел годы, разрабатывая альтернативный подход. Его решение привело его к совершенно новой идее о происхождении жизни: все ключевые компоненты жизни могли сформироваться одновременно. Каждый нуклеотид РНК состоит из сахара, основания и фосфата. Но заставить сахар и основание соединиться оказалось невозможно.
Молекулы просто не той формы. Поэтому Сазерленд начал пробовать совершенно другие вещества. В конечном счете его команда пришла к пяти простым молекулам, включая другой сахар и цианамид, родственный цианиду. Эти химические вещества пропустили через цепочку реакций и в конечном итоге сделали два из четырех нуклеотидов РНК, не делая отдельные сахара или основания. Это был ослепительный успех, который сделал Сазерленду имя. Многие наблюдатели интерпретировали эти результаты как еще одно доказательство в пользу мира РНК.
Но сам Сазерленд так не считал. Но Сазерленд говорит, что это безнадежно оптимистично. Он считает, что РНК принимала важное участие, но на ней все клином не сходилось. Вместо этого он вдохновился одной из последних работ Шостака, которая как мы выяснили в пятой части совмещала РНК-мир «сперва воспроизводства» с идеями «сперва компартментализации» Пьера Луиджи Луизи. Сазерленд пошел еще дальше. Его подход представлял собой «сперва всё».
Он хотел, чтобы цельная клетка собралась сама по себе с нуля. К этому его привела странная деталь в его синтезе нуклеотидов, которая сначала казалась случайной. Жизни нужна жирная смесь веществ Последним шагом в процессе Сазерленда было забросить фосфат в нуклеотид. Однако он выяснил, что лучше всего было включать фосфат в смесь с самого начала, поскольку он ускорял первые реакции. Казалось, что включение фосфата до того, как он понадобится на самом деле, было слегка «грязноватым» действием, но Сазерленд выяснил, что этот хаос — это хорошо. И так он задумался о том, насколько беспорядочными должны быть смеси.
Во времена ранней Земли должны были существовать десятки или сотни химических веществ, плавающих вместе. Рецепт шлама? Но беспорядок может быть важным условием. Смеси, которые Стэнли Миллер приготовил в 1950-х годах, о которых мы говорили в первой части, были куда грязнее сазерлендовых. Они включали биологические молекулы, но Сазерленд говорит, что они «были в небольших количествах и сопровождались огромным количеством других, не биологических соединений». Что происходит с человеком после переедания?
Сазерленд считал, что подход Миллера был недостаточно хорош. Он был слишком грязным, поэтому хорошие химические вещества просто терялись в смеси. Поэтому Сазерленд вознамерился найти «химию Златовласки»: не слишком грязную, чтобы стать бесполезной, но и не слишком простую, чтобы быть ограниченной в возможностях. Получить достаточно сложную смесь — и все компоненты жизни смогут сформироваться одновременно и найти друг друга. Другими словами, четыре миллиарда лет назад на Земле был пруд. Он существовал годами, пока в нем не собрались нужные химические вещества.
Затем, возможно, за какие-нибудь пару минут появилась первая клетка. Горстки химвеществ недостаточно для жизни Это может показаться совершенно неправдоподобным, словно заявления средневековых алхимиков. Но у Сазерленда только прибавляется доказательств. В 2009 году он показал, что та же химия, которая позволила собрать два его нуклеотида РНК, также может создавать многие другие молекулы жизни. Очевидным следующим шагом было сделать больше нуклеотидов РНК. Пока этого сделать не удалось, но в 2010 году он собрал тесно связанные молекулы, которые потенциально могут превратиться в нуклеотиды.
Точно так же, в 2013 году он сделал прекурсоры аминокислот. На этот раз ему пришлось добавить цианид меди, чтобы заставить реакцию протекать. Связанные с цианидом химические вещества оказались общей темой, и в 2015 году Сазерленд сделал с ними еще больше. Он показал, что в том же горшке с химическими веществами могут появиться и прекурсоры липидов, молекул, из которых состоят стенки клеток. Все эти реакции полагались на ультрафиолетовый свет, включали серу и медь как катализатор. Жизни нужен настоящий рог изобилия химвеществ «Все строительные блоки вышли из общего ядра химических реакций», говорит Шостак.
Если Сазерленд прав, то весь наш подход к происхождению жизни за последние 40 лет был в корне неверным. С тех пор, как стала очевидной сложность клетки, ученые начали работать с предположением, что первые клетки должны были собираться постепенно, по частям. Вслед за предложением Лесли Оргела о том, что сначала появилась РНК, ученые пытались «поставить одно перед другим, а потом как-то получить порядок», говорит Сазерленд. Но он думает, что лучше всего — сделать все и сразу. Шостак теперь подозревает, что большинство попыток сделать молекулы жизни и собрать их в живые клетки провалились по одной причине: эксперименты были слишком чистыми. На каких животных охотились собаки 1000 лет назад?
Ученые использовали несколько химических веществ, которые были им интересны, и оставляли все прочие, которые тоже, вероятно, присутствовали на ранней Земле. Но работа Сазерленда показала, что добавляя больше химических вещей в смесь, можно создать больше сложных явлений. Шостак и сам столкнулся с этим в 2005 году, когда пытался разместить фермент РНК в своих протоклетках. Ферменту нужен был магний, который уничтожал мембраны протоклеток. Решение оказалось на удивление простым. Вместо того чтобы делать везикулы из одной только жирной кислоты, их сделали из смеси обоих веществ.
Новые, «грязные» везикулы справлялись с магнием и могли размещать работающие ферменты РНК. Более того, Шостак говорит, что первые гены тоже могли включать беспорядок. В 2012 году Шостак показал, что такая смесь может собираться в «мозаику» молекул, которая выглядит и ведет себя почти как чистая РНК. Мы не знаем, существовали они на Земле или нет, но если да, то первые организмы вполне могли использовать и их. Это уже был не «мир РНК», а «мир вперемешку». Урок этих исследований в том, что сделать первую клетку может быть было не так сложно, как кажется.
Да, клетки — сложные машины. Но оказывается, что они продолжают работать, хоть и не так хорошо, если их слепить небрежно, как снежок. Кажется, что такие неуклюжие клетки не имели шансов выжить на ранней Земле. Но у них практически не было конкуренции, им не угрожали никакие хищники, поэтому во многих отношениях жизни было проще, чем сейчас. В юности Землю постоянно бомбардировали метеориты Однако существует одна проблема, которую не смогли решить Сазерленд или Шостак, и это серьезная проблема. Первый организм должен был иметь какой-то метаболизм, обмен веществ.
С самого начала жизнь должна была получать энергию, либо умереть. В этом Сазерленд согласен с Майком Расселлом, Биллом Мартином и другими сторонниками теорий «сперва метаболизм» из четвертой части. Даже если Мартин и Расселл ошибаются на тему того, что жизнь началась у глубоководных источников, многие элементы их теории почти наверняка верны. Один из них — значение металлов для рождения жизни. У этого фермента в центре металл В природе у многих ферментов есть атом металла в ядре. Зачастую это «активная» часть фермента; остальная часть молекулы выступает поддерживающей структурой.
Первая жизнь не могла иметь таких сложных ферментов, поэтому почти наверняка использовала «голые» металлы в качестве катализаторов. Гюнтер Вахтершаузер подметил это, когда предположил, что жизнь образовалась на основе железного пирита. Аналогичным образом, Расселл подчеркивал, что воды гидротермальных источников богаты металлами, которые могут выступать в качестве катализаторов — и исследование Мартина выявило множество ферментов на основе железа у последнего универсального общего предка LUCA. Какой рост был у самого высокого человека в мире? В свете этого имеет смысл, что многие химические реакции Сазерленда полагаются на медь и — как и подчеркивал Вахтершаузер — на серу , а РНК в протоклетках Шостака нуждается в магнии. Может быть и так, что гидротермальные источники окажутся вдруг важнейшими элементами головоломки.
Это говорит в поддержку идеи возникновения жизни у жерл, где вода богата железом и серой. Но если Сазерленд и Шостак действительно находятся на верном пути, один аспект гидротермальной теории совершенно не имеет смысла: жизнь не могла появиться в глубоком море. Жизнь могла появиться на мелководье «Химия, к которой мы пришли, очень зависит от ультрафиолетового света», говорит Сазерленд. Единственным источником ультрафиолетового излучения является Солнце, поэтому его реакции могут протекать только в освещенных солнечных местах. Это исключает глубоководный сценарий. Шостак согласен: глубокие воды вряд ли были колыбелью жизни.
Кроме того, они изолированы от атмосферной химии, которая является источником высокоэнергетических стартовых материалов вроде цианида. Все самые свежие новости из мира высоких технологий вы также можете найти в Google News. Но эти проблемы не исключают гидротермальную теорию полностью. Возможно, эти источники были на мелководье, купаясь в солнечном свете и цианидах. У Армена Мулкиджаняна есть альтернатива. Возможно, жизнь появилась на земле, в вулканическом пруду.
Или в вулканическом пруду Мулкиджанян обратил внимание на химический состав клеток: в частности, какие химические вещества они впускают и какие нет. Оказалось, что клетки, вне зависимости от организма-носителя, содержат много фосфата, калия и других металлов — но не натрия. В настоящее время клетки получают их, закачивая материалы в себя, но первые клетки не могли этого делать, поскольку не обладали нужным механизмом. Поэтому Мулкиджанян предположил, что первые клетки образовались где-то, где был примерно такой же состав химических веществ, что и у современных клеток. Океан сразу же отпадает. В клетках намного больше калия и фосфата, чем в океане, и намного меньше натрия.
Но на ум приходят геотермальные пруды вблизи активных вулканов. Эти пруды обладают именно тем коктейлем металлов, который находят в клетках. В самой глубокой впадине Земли обнаружены ядовитые для человека вещества Шостаку нравится эта идея. Химия Сазерленда вполне могла бы сработать в таком месте. У этих источников подходящий химический состав, уровень воды колеблется, местами все пересыхает, а ультрафиолетового излучения солнца вполне достаточно. Или в горячих источниках Более того, Шостак говорит, что такие пруды подошли бы его протоклеткам.
Потоки холодной или горячей воды помогали бы протоклеткам делиться. Опираясь на многие из этих аргументов, Сазерленд предлагает и третий вариант: место падения метеорита. Метеориты падали на Землю постоянно в течение ее первого полумиллиарда лет существования — и с тех пор тоже иногда падают. Хороший удар создал бы условия, подобные прудам Мулкиджаняна. Во-первых, метеориты в основном сделаны из металла. Зоны воздействия, как правило, богаты полезными металлами вроде железа, а также серой.
И самое главное, удары метеоритов плавят земную кору, что приводит к геотермальной активности и нагреву воды. Сазерленд представляет небольшие ручейки и реки, стекающие по склонам ударного кратера, выщелачивающие химвещества на основе цианида из пород, пока ультрафиолетовое излучение проливается свыше. Каждый поток приносит ту или иную смесь химических веществ, так что начинают различные реакции и производится целый ряд органических химических веществ. Или в кратере метеорита В конце концов, потоки стекают в вулканический пруд на дне кратера. В таком пруду, возможно, все элементы головоломки сложились бы вместе и образовались первые протоклетки. Но он предпочел его на основе химических реакций, с которыми столкнулся.
Шостак не уверен настолько, но согласен с тем, что идея Сазерленда заслуживает внимания. Думаю, идея вулканических систем также может сработать. У обеих теорий есть хорошие аргументы». Пока что дебаты будут разворачиваться и дальше. Но решение будет зависеть от химии и протоклеток. Если выяснится, что одному из сценариев недостает важного химического вещества или что-то разрушает протоклетки, от него придется отказаться.
Но впервые в истории мы можем получить всеобъемлющее объяснение того, как начиналась жизнь. Пока что подход «все и сразу» Шостака и Сазерленда предлагает лишь отрывочные повествования. Но эти шаги были разработаны на основе десятилетий экспериментов. Также этот подход опирается на все другие гипотезы происхождения жизни. Он пытается использовать все их хорошие стороны, вместе с тем решая всех их проблемы. К примеру, он не разрушает гипотезу Расселла о гидротермальных источниках, а скорее включает ее лучшие элементы.
Конечно, мы не можем знать наверняка, что происходило четыре миллиарда лет назад. Лучшее, что мы можем сделать, это составить историю, которая согласуется со всеми доказательствами: с экспериментами в области химии, с нашими познаниями о ранней Земле, с тем, что говорит биология о самых древних формах жизни. Наконец, после столетия напряженных усилий, история начинает вырисовываться. Как солнечный свет влияет на продуктивность человека? И это значит, что мы приближаемся к одному из важнейших переломных моментов в человеческой истории : после которого мы узнаем историю появления жизни на Земле. Все люди, умершие до того, как Дарвин опубликовал «Происхождение видов» в 1859 году, понятия не имели, откуда взялся человек, потому что ничего не знали об эволюции.
Но любой живущий сегодня может узнать правду о нашем родстве с животными. Точно так же любой рожденный после выхода Юрия Гагарина на орбиту Земли в 1961 году, жил в обществе, которое может отправиться к другим мирам. Космические путешествия стали реальностью, даже если мы сами в них не участвовали. Наша планета прекрасна и загадочна. Эти факты меняют наш взгляд на мир. Они делают нас мудрее.
Эволюция учит нас беречь каждое живое существо, потому что мы все произошли от одного предка. Космические путешествия позволяют нам смотреть на другие миры издалека, видеть всю их уникальность и хрупкость. Некоторые из живущих сегодня людей станут первыми в истории, которые смогут с уверенностью заявить, что мы точно знаем, откуда пришли. Они будут знать, каким был наш первый предок и где жил. Это знание изменит нас. На чисто научном уровне оно расскажет нам о том, насколько вероятно появление жизни во Вселенной и где ее искать.
И оно расскажет нам о сущности жизни. Но можем ли мы знать, какие знания откроются нам после того, как мы узнаем тайну появления жизни?
Об этом сообщается в пресс-релизе на Phys. По мнению специалистов, маловероятно, что современная версия РНК сформировалась бы сразу. Гибридная РНК благодаря химической эволюции превратилась в чистую РНК, поскольку последняя точнее и быстрее воспроизводится, чем ее аналоги.
Чтобы в этом разобраться, ученые разработали модель, которая имитирует случайные разрывы в простых молекулах РНК без ферментативной активности. В ходе эксперимента появились короткие цепочки РНК, которые действовали как праймеры — затравки для синтеза более длинных цепей РНК. Из-за этого появлялось множество копий разрушенного полимера. Ученые сравнили такое явление с регенерацией червей, которых разрезают на сегменты.
Если бы направление связей было случайным, вероятность этого составляла бы менее одной миллиардной. Следовательно, такой характер связей отражает последовательность постепенного добавления блоков в процессе эволюции молекулы, реконструированном исследователями. Таким образом, у истоков жизни мог стоять сравнительно простой рибозим — PTC-центр молекулы 23S-рРНК, к которому затем добавлялись новые блоки, совершенствуя процесс синтеза белка. Чаще всего постулируется необходимость агрегирующих РНК мембран или размещения РНК на поверхности минералов и в поровом пространстве рыхлых пород. В 1990-е годы А. Четвериным с сотрудниками была показана способность РНК формировать молекулярные колонии на гелях и твёрдых субстратах при создании им условий для репликации. Происходил свободный обмен молекулами, которые при столкновении могли обмениваться участками, что показано экспериментально. Вся совокупность колоний в связи с этим быстро эволюционировала [10]. После возникновения белкового синтеза колонии, умеющие создавать ферменты, развивались успешнее. Ещё более успешными стали колонии, сформировавшие более надёжный механизм хранения информации в ДНК и, наконец, отделившиеся от внешнего мира липидной мембраной, препятствующей рассеиванию своих молекул.
Японские ученые впервые доказали способность РНК эволюционировать
Гипотеза о существовании мира РНК получила новую жизнь после исследований, продемонстрировавших то, что молекулы РНК проявляют более высокую каталитическую активность в условиях, сходных с теми, что существовали на Земле миллиарды лет назад. Ученые Брукхейвенской национальной лаборатории обнаружили новые доказательства гипотезы РНК-мира. Но окончательно гипотеза мира РНК смогла сформироваться лишь после открытия в 1981 году рибосомальной РНК из ресничного простейшего Tetrahymena, которая способна к автосплайсингу. Ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории опубликовали статью в журнале eLife, в которой сообщили о новых доказательствах в пользу гипотезы РНК-мира. Понятно, что существенный аргумент гипотезы РНК-мира состоит в том, что эта гипотеза создает "простой" переходный мостик между абиогенной органикой и клетками.
Найдено подтверждение гипотезы «РНК-мира»
| Японские ученые впервые доказали способность РНК эволюционировать | Новости по тэгу. Открытия, показывающие способность молекул РНК самовоспроизводиться, а также выполнять ферментативные функции, привели к возникновению гипотезы мира РНК. |
| Исследователи смешивают РНК и ДНК, чтобы изучить, как началась жизнь на Земле | Строение РНК Типы РНК Гипотеза РНК мира. |
| Эффективный полимеразный рибозим подкрепил гипотезу мира РНК | В рамках своего проекта ученые поставили под сомнение достоверность гипотезы РНК-мира. |
Ученые предположили новое объяснение возникновения жизни на Земле
В основном потому, что гипотеза мира РНК подкрепляется большим числом экспериментальных свидетельств, чем набрали её конкуренты. Концепцию мира РНК впервые сформулировал в 1962 году Александр Рич (Alexander Rich), термин ввел в 1986 году Уолтер Гилберт (Walter Gilbert). Проблемы гипотезы РНК-мира, по А.С. Спирину: КОГДА, ГДЕ И В КАКИХ УСЛОВИЯХ МОГ ВОЗНИКНУТЬ И ЭВОЛЮЦИОНИРОВАТЬ МИР РНК? Мир РНК утверждает, что когда РНК сформировалась на Земле, она начала размножаться, а затем породила такие молекулы, как ДНК.
Ученые описали, как появилась РНК
Катаген — фаза, в которую волосяная луковица отсоединяется от кровеносных сосудов и нервов. Она значительно короче анагена и длится от трех до шести недель. В катаген предшественники кератиноцитов и меланоцитов отмирают и перестают делиться. Телоген — фаза покоя. Через несколько месяцев после утраты кровяного снабжения оголодавший волос выпадет. В течение примерно недели фолликул пустует, а затем там постепенно начинают делиться стволовые клетки и зарождается новый волос. Начинается новый анаген. В ранней фазе роста в нижней части волосяного фолликула возникают две популяции стволовых клеток. Первая популяция — это зародыш волоса.
Другая популяция мигрирует из области выпуклости bulge, область между мышцей, поднимающей волос, и сальной железой. Эти стволовые клетки спускаются к основанию новой волосяной луковицы, и превращаются в зрелые меланоциты, которые займутся окрашиванием нового волоса пигментом. Считается, что если в фазе покоя предшественники меланоцитов успели сползти к волосяной луковице и волос уже начал расти каштановым, рыжим или черным, после этого ничто не заставит его поседеть. Количество меланоцитов и их способность накачивать волос цветом остаются практически неизменными весь цикл роста, а поседеть может уже фактически новый волос в новую волну миграции стволовых клеток. Поскольку с возрастом пул стволовых клеток истощается, в зародыш волоса попадает меньше предшественников пигментных клеток, они меньше пачкают эпителиальные клетки, и новый волос растет седым. Как правило, однажды побелев, волос уже не вернет себе цвет. Однако некоторые данные показывают, что процесс поседения все же чуть более гибкий: в исключительных случаях волос может начать седеть посреди фазы роста, какое-то время расти седым, а потом возвращать себе цвет. Так или иначе, волосы у Лиланда Палмера не могли поседеть за ночь.
Седина не может появляться быстрее, чем растет волос. Согласно классической гипотезе появления седины, за ночь Лиланду пришлось бы синхронизировать фазы роста волос по всей голове до фазы покоя, облысеть и отрастить густую шевелюру новых седых волос. То есть ужать цикл выпадения и роста волоса с нескольких лет до одной ночи. При всей спорости безумных танцев, Лиланду за ночь такое не успеть. Более гибкий сценарий появления седины тоже не оставляет шансов: мы бы наблюдали постепенное отрастание седых волос, примерно по сантиметру в месяц, а не внезапные ночные метаморфозы. Мгновенное появление седины у мистера Палмера на экране и у сверженной королевы Франции в исторической легенде — абсурдное преувеличение. Но у любого абсурда есть причины, и поседеть быстрее обычного они действительно могли. Возможных причин — несколько.
Вы лысеете Первый задокументированный случай внезапного побеления волос зафиксирован в Талмуде и датируется 83 годом нашей эры. Это история про раввина Элазара бен Азария, которого избрали председателем Синедриона, высшего суда в земле Израиля, в юном-преюном возрасте 18 лет. Жена юноши была обеспокоена, что тот выглядит слишком молодо для своей должности. К счастью, в тот же день у раввина появилось 18 рядов седых волос. Средневековый раввин Маймонид утверждал, что седина появилась из-за напряженной учебы: день и ночь бен Азария корпел над Торой, из-за чего ослаб и резко постарел. Это была первая из многих попыток объяснить, почему волосы могут быстро побелеть. В 1806 году французский химик и фармацевт Луи-Николя Воклен предположил, что выделяется некоторое таинственное вещество, которое растворяет пигмент. Спустя 60 лет немецкий физиолог Леонард Ландуа придумал другой механизм внезапного поседения: по его гипотезе, при внезапном поседении внутрь волоса почему-то проникают пузырьки воздуха, что придает ему белый оттенок из-за преломления света.
А уже в начале XX века Илья Мечников допустил, что по волосам ползают особые иммунные клетки — пигментофаги, которые поглощают пигмент, а затем относят его к волосяной луковице и откладывают в соединительной ткани. Сейчас внезапное поседение все чаще объясняют тем, что меняется цикл роста волос: анаген становится короче, волосы быстрее выпадают, а новые вырастают с нехваткой пигмента. Избыточное выпадение волос называют телогеновой алопецией telogen effluvium , и начинается она через два-три месяца после воздействия какого-то триггера. Триггером могут быть лекарства оральные контрацептивы, антидепрессанты, бета-блокаторы , травма, эмоциональный стресс или проблемы с диетой, вроде нехватки калорий, белка и жирных кислот в пище. Еще одна возможная причина — облучение ультрафиолетом. Трихологи даже замечают «эффект лета», когда количество пациентов с телогеновой алопецией увеличивается с июля по октябрь. Вряд ли Лиланд Палмер оголодал в Твин Пиксе, знаменитом своими вишневыми пирогами.
В основе их теории лежат 20 «нагрузочных» молекул, аминоацил-тРНК-синтетазы. Эти каталитические ферменты позволяют РНК связываться с определёнными аминокислотами в соответствии с правилами генетического кода.
Предыдущие исследования показали, что 20 ферментов можно поровну разделить на две группы по 10 штук на основе их структуры и последовательностей. Два этих класса ферментов обладают определёнными последовательностями, кодирующими взаимоисключающие аминокислоты — то есть, эти ферменты должны были появиться из дополняющих цепочек одного древнего гена. Картер, Уиллс и их коллеги обнаружили, что в таком случае РНК кодировала пептиды при помощи набора всего из двух правил или, иначе говоря, использовала два типа аминокислот. Получившиеся пептиды поддерживали те же самые правила, что управляют процессом передачи, благодаря чему возникает ключевая для этой теории петля обратной связи. РНК-пептидный мир Жизнь могла появиться из взаимодействия РНК и пептидов, работавших в качестве первого генетического кода. Самоподдерживающаяся петля реакций создавала бы ферменты, выбирая всего из двух типов аминокислот вместо 20 типов, имеющихся в современных белках. В недавних работах Картер и Уиллс показывают, что их мир пептидов-РНК решает проблемы с пробелами в истории происхождения жизни, которые неспособна объяснить только одна РНК. Конечно, модель Картера-Уиллса начинается с генетического кода, существование которого предполагает сложные химические реакции, куда входят такие молекулы, как транспортная РНК и нагрузочные ферменты. Исследователи утверждают, что в предшествовавших предложенному ими сценарию событиях участвовало взаимодействие РНК и пептидов.
Однако это предположение оставляет много открытых вопросов о том, как началась такая химия и как она выглядела. Для ответов на эти вопросы существует множество теорий, выходящих далеко за рамки мира РНК. Некоторые учёные даже применяют подход, противоположный подходу Картера и Уиллса: они считают что самые ранние этапы развития жизни не обязательно должны напоминать ту химию, которая существует сегодня. Дорон Ланцет , исследователь генома из Вайзмановского научного института в Израиле, предлагает альтернативную теорию, базирующуюся на сборке липидов, катализирующих вход и выход различных молекул.
Эти щелочные жерла идеально вписывались в идеи Расселла. Он твердо поверил в то, что жизнь появилась в таких «потерянных городах».
Но была одна проблема. Будучи геологом, он знал не так много о биологических клетках, чтобы убедительно представить свою теорию. Столб дыма «черной курилки» Поэтому Расселл объединился с биологом Уильямом Мартином. В 2003 году они представили улучшенный вариант прежних идей Расселла. И это, наверное, самая лучшая теория появления жизни на данный момент. Благодаря Келли, теперь они знали, что породы щелочных источников были пористыми: они были усеяны крошечными отверстиями, наполненными водой.
Эти крошечные кармашки, предположили они, действовали в качестве «клеток». В каждом кармашке находились основные химические вещества, в том числе и пирит. В сочетании с естественным протонным градиентом от источников, они были идеальным местом для начала метаболизма. После того, как жизнь научилась использовать энергию вод источников, говорят Расселл и Мартин, она начала создавать молекулы вроде РНК. В конце концов, она создала себе мембрану и стала настоящей клеткой, сбежав из пористой породы в открытую воду. Такой сюжет в настоящее время рассматривается в качестве одной из ведущих гипотез о происхождении жизни.
Клетки бегут из гидротермального источника В июле 2016 года он получил поддержку, когда Мартин опубликовал исследование, реконструирующее некоторые детали « последнего универсального общего предка » LUCA. Это организм, который жил миллиарды лет назад и от которого произошла вся существующая жизнь. Едва ли мы когда-нибудь найдем прямые окаменевшие доказательства существования этого организма, но тем не менее вполне можем делать обоснованные предположения о том, как он выглядел и чем занимался, изучая микроорганизмы наших дней. Это и проделал Мартин. Он исследовал ДНК 1930 современных микроорганизмов и идентифицировал 355 генов, которые были почти у всех. Это убедительно говорит о передаче этих 355 генов, через поколения и поколения, от общего предка — примерно того времени, когда жил последний универсальный общий предок.
Эти 355 генов включают некоторые для использования протонного градиента, но для генерации оного — нет, как и предсказывали теории Расселла и Мартина. Более того, LUCA, похоже, был адаптирован к присутствуют химических веществ вроде метана, что наводит на мысли, что он населял вулканически активную среду — по типу жерла. Сторонники гипотезы «мира РНК» указывают на две проблемы в этой теории. Одну можно поправить; другая может быть фатальной. Гидротермальные источники Первая проблема в том, что экспериментальных доказательств описанных Расселлом и Мартином процессов нет. У них есть пошаговая история, но ни один из этих шагов не наблюдался в лаборатории.
Он построил «реактор происхождения жизни», который имитирует условия внутри щелочного источника. Он надеется увидеть метаболические циклы, а может даже и молекулы вроде РНК. Но пока еще рано. Вторая проблема заключается в расположении источников в глубоком море. Как отмечал Миллер в 1988 году, длинноцепочечные молекулы вроде РНК и белков не могут формироваться в воде без вспомогательных ферментов. Для многих ученых это фатальный аргумент.
И все же Расселл и его союзники остаются оптимистами. И только в последнее десятилетие на первый план вышел третий подход, подкрепленный серией необычных экспериментов. Он обещает нечто, чего не удалось добиться ни «миру РНК», ни гидротермальным источникам: способ создать целую клетку с нуля. Часть пятая: так как же всё-таки создать клетку? К началу 2000-х годов ученые выделили две ведущие идеи о том, как могла появиться жизнь. Сторонники «РНК-мира» были убеждены, что жизнь началась с самовоспроизводящейся молекулы.
В то же время ученые в лагере «сначала метаболизм» считают, что жизнь могла появиться в гидротермальных жерлах на дне океана. И все же на передний план вышла третья идея. Каждое живое существо на Земле состоит из клеток. Каждая клетка — это по сути мягкий шарик, мешочек, с жесткой внешней стенкой, или «мембраной». Задача клетки — удерживать все предметы первой необходимости вместе. Если наружная стенка порвется, внутренности выльются наружу и клетка умрет — так же, как и выпотрошенный человек.
Человечество изменило сушу до неузнаваемости. Но что насчет воды? Наружная стенка клетки настолько важна, что некоторые исследователи происхождения жизни даже считают, что она появилась прежде всего. Они считают, что подходы «сперва генетика», который мы обсудили во второй части, и «сперва метаболизм», который мы обсудили в четвертой части, ошибочны. Все живые предметы состоят из клеток Идея Луизи проста, и с ней трудно спорить. Каким образом вы собрались создавать рабочую метаболическую систему или самовоспроизводящуюся РНК, каждый из которых опирается на наличие большого количества химических веществ в одном месте, если вы сначала не сделаете контейнер, который удерживает все молекулы вместе.
Если вы с этим согласны, есть только один способ, с которого могла начаться жизнь. Каким-то образом, в жаре и буре ранней Земли, неколько сырых материалов сложились в грубые клетки, или «протоклетки». Осталось только повторить это в лаборатории: создать простую живую клетку. Идеи Луизи можно проследить аж до Александра Опарина и рассвета науки о происхождении жизни в СССР, которых мы обсудили в первой части. Опарин подчеркнул тот факт, что некоторые химические вещества образуют сгустки — коацерваты — которые могут держать другие вещества внутри. Он предположил, что коацерваты были первыми протоклетками.
Любое жирное или маслянистое вещество будет образовывать сгустки или пленки в воде. Эти химические вещества известны в общем как липиды. Соответственно, гипотезу о том, что с них начала жизнь, назвали «липидным миром». Но просто сформировать сгустки недостаточно. Они должны быть стабильными, уметь делиться на «дочерние» сгустки и хоть немного контролировать, что проходит внутрь и выходи наружу — и все это без сложных белков, которые используют современные клетки для этих задач. Появилась задача собрать такие протоклетки из всего необходимого материала.
Несмотря на множество попыток за много лет, Луизи так и не сделал ничего хоть мало-мальски убедительного. И тогда, в 1994 году, он осмелился сделать дерзкое предположение. Он предположил, что первые протоклетки должны были содержать РНК. Более того, эта РНК должна была уметь воспроизводиться внутри протоклетки. Как-то клетка все же появилась И вот, его гипотеза стала очень сложной и отошла от чистого подхода «сперва компартментализация». Но у Луизи были веские доводы.
Клетка с внешними стенками, но без внутренностей, мало что может. Возможно, она могла бы делиться на дочерние клетки, но не передавала бы никакой информации о себе потомству. Она могла начать развиваться и становиться более сложной только при наличии некоторых генов. Вскоре эта идея обрела сильного сторонника в лице Джека Шостака, работу которого на тему «мира РНК» мы изучили в третьей части. Луизи был членом лагеря «сперва компартментализация», Шостак поддерживал «сперва генетику», и много лет они не встречались с глазу на глаз. Почти вся жизнь одноклеточная «Мы встречались на собраниях на тему происхождения жизни и затевали эти длинные дискуссии на тему того, что было важнее и что пришло первым», вспоминает Шостак.
Мы пришли к общему мнению, что для возникновения жизни важно иметь и компартментализацию, и генетическую систему». В 2001 году Шостак и Луизи изложили свое видение этого единого подхода. В работе, опубликованной в Natire, они заявили, что должно быть возможность создать простую живую клетку с нуля, разместив реплицирующуюся РНК в обычной капле жира. Очень скоро Шостак решил полностью посвятить себя ей. Рассудив, что «мы не можем излагать эту теорию, ничем ее не подкрепив», он решил начать экспериментировать с протоклетками. Спустя два года Шостак и двое его коллег объявили о большом успехе.
Везикулы — это простые контейнеры, состоящие из липидов Они экспериментировали с везикулами: сферическими каплями с двумя слоями жирных кислот на внешней стороне и центральным жидким ядром. Пытаясь найти способ ускорить создание везикул, они добавили малые частички глины под названием монтмориллонит. Везикулы начали формироваться в 100 раз быстрее. Поверхность глины выступили катализатором, как некий фермент. Более того, везикулы могли поглощать как частицы монтморрилонита, так и цепи РНК с поверхности глины. Теперь эти протоклетки уже содержали гены и катализатор, и все из одной простой добавки.
Решение добавить монтмориллонит было принято не просто так. За несколько десятилетий много работ предположили, что монтмориллонит и подобные ему глины могли иметь важное значение для происхождения жизни. Кусок монтмориллонита Монтмориллонит — это обычная глина. В настоящее время она используется для самых разных дел, из нее даже кошачий наполнитель делают. Образуется она, когда вулканический пепел расщепляется погодой. Поскольку ранняя Земля изобиловала вулканами, кажется вероятным, что на ней было и много монтмориллонита.
Еще в 1986 году химик Джеймс Феррис показал, что монтмориллонит выступает катализатором, который помогает формироваться органическим молекулам. Позже он обнаружил, что глина также ускоряет формирование малых РНК. Заходите в наш специальный Telegram-чат. Там всегда есть с кем обсудить новости из мира высоких технологий. И тогда Феррис предположил, что эта невзрачная глина могла быть местом зарождения жизни. Шостак принял эту идею и включил ее в работу, используя монтмориллонит для строительства своих протоклеток.
Годом спустя Шостак обнаружил, что его протоклетки могут расти сами по себе. Чем больше молекул РНК оказывалось в протоклетке, тем выше было давление на наружную стенку. Похоже, желудок протоклетки был забит и она была готова сходить по-большому. Чтобы компенсировать это, протоклетка приняла больше жирных кислот и включила их в стенки, благодаря чему раздулась еще больше и ослабила напряжение. Что важно, она взяла жирные кислоты из других протоклеток, в которых было меньше РНК, заставив их сократиться. Будто бы протоклетки соперничали и та, у которой было больше РНК, побеждала.
Но если протоклетки могут расти, может они и делиться могут? Сможет ли протоклетка Шостака воспроизвести себя? Клетки делятся на два Первые эксперименты Шостака показали, что способ деления протоклеток действительно есть. Если сжать ее в небольшом отверстии и вытянуть в трубочку, протоклетка разрывается, формируя «дочерние» протоклетки. Эта идея была неплохой, потому что в ней не участвовал никакой клеточный механизм: просто давление. Но такое решение было не самым лучшим, поскольку протоклетки теряли часть содержимого в этом процессе.
Это также означало, что первые клетки могли делиться лишь проталкиваясь через крошечные отверстия. Существует множество способов заставить везикулы делиться. Например, можно добавить сильный поток воды. Осталось только заставить протоклетки делиться и не терять кишки. В 2009 году Шостак и его студент Тинг Чжу нашли решение. Они сделали немного более сложные протоклетки с наружными стенками в несколько слоев, напоминающие слои лука.
Несмотря на такую сложность, эти протоклетки все еще было просто создать. Когда Чжу кормил их жирными кислотами, протоклетки росли и меняли форму, вытягиваясь в длинные канатоподобные цепочки. После того, как протоклетка становилась достаточно длинной, легкой приложенной силы достаточно, чтобы разбить ее на десятки мелких дочерних протоклеток. Более того, протоклетки могли повторять цикл постоянно, дочерние протоклетки росли и делились. Эту часть проблему, похоже, решили. В последующих экспериментах Чжу и Шостак нашли еще больше способов заставить протоклетки делиться.
Но все равно протоклеткам многого недоставало. Чтобы показать, что его протоклетки могли быть первой жизнью на Земле, Шостаку нужно было заставить РНК внутри них воспроизводиться. В будущем мир ожидает спад рождаемости. Что это значит для человечества? Это было нелегко, поскольку, несмотря на десятилетия попыток — изложенных в третьей части, — никто так и не смог заставить РНК самовоспроизводиться. Эта же проблема загнала Шостака в угол в ходе его первых работ над «миром РНК», и никому другому не удалось ее решить.
Поэтому он вернулся и перечитал работу Лесли Оргела, который так долго работал над гипотезой РНК-мира. В этих пыльных бумагах обнаружились ценные подсказки. Оргел провел много времени с 1970-х по 1980-е, изучая копирование цепей РНК. Первая клетка должна была вмещать химию жизни По сути все просто. Возьмите одну цепь РНК и набор свободных нуклеотидов. Затем, используя эти нуклеотиды, соберите вторую цепь РНК, комплементарную первой.
Сделав это дважды, вы получите копию оригинальной «CGC», только окольным путем. Оргел обнаружил, что при определенных обстоятельствах цепи РНК могут копироваться таким образом без какой-либо помощи ферментов. Возможно, именно так первая жизнь создала копии своих генов. К 1987 году Оргел мог взять цепь РНК длиной в 14 нуклеотидов и создать дополняющие цепи длиной тоже в 14 нуклеотидов. Больше ему сделать не удалось, но этого было достаточно, чтобы заинтриговать Шостака. Его ученица Катажина Адамала попыталась запустить такую реакцию в протоклетках.
Они обнаружили, что для работы такой реакции нужен магний. Но магний уничтожил протоклетки. Впрочем было и простое решение: цитрат, который почти идентичен лимонной кислоте и который присутствует во всех живых клетках. В исследовании, опубликованном в 2013 году, они добавили цитрат и обнаружили, что тот обволок магний, защищая протоклетки и позволяя шаблону продолжать копироваться. Другими словами, им удалось сделать то, что Луизи предлагал в 1994 году. Протоклетки Шостака могут жить в сильном тепле Всего за десять лет исследований команде Шостака удалось совершить невероятное.
Они создали протоклетки, которые сохраняют свои гены, при этом забирая полезные молекулы снаружи. Эти протоклетки могут расти и делиться и даже соперничать между собой. РНК может воспроизводиться внутри них. С какой стороны ни посмотри, они были похожи на первую жизнь. Как собаки понимают человеческий язык? Еще они были весьма устойчивыми.
В 2008 году группа Шостака обнаружила, что эти протоклетки могут переживать нагрев до 100 градусов по Цельсию, температуры, которая уничтожает большинство современных клеток. Следовательно, эти протоклетки были похожи на первую жизнь, которая должна была переживать сильное тепло от постоянных ударов метеоритов. Тем не менее, на первый взгляд, подход Шостака идет вразрез с 40 годами исследований происхождения жизни. Вместо того чтобы озадачиться «сперва воспроизводством» или «сперва компартментализацией», он решил делать оба дела сразу. Молекулы жизни ведут себя крайне сложно Это открывает путь к новому подходу к поиску происхождения жизни — единому, объединенному, унифицированному подходу. Он должен охватить все функции первой жизни сразу и одновременно.
Эта гипотеза «сперва всё» уже насобирала достаточно свидетельств и может решить все проблемы существующих идей. Часть шестая: великое объединение На протяжении второй половины 20-го века исследователи происхождения жизни работали каждые в своем лагере. Каждая группа настаивала на собственной версии развития событий и старалась уничтожить конкурирующие гипотезы. Такой подход был безусловно успешным, о чем свидетельствуют предыдущие главы, но каждая перспективная идея о происхождении жизни в конечном счете наталкивалась на серьезную проблему. Так что некоторые исследователи сейчас пытаются найти более единый подход. Несколько лет назад эта идея получила мощный толчок, благодаря результату, поддерживающему устоявшуюся теорию «мира РНК».
К 2009 году у сторонников мира РНК была большая проблема. Они не могли сделать нуклеотиды, строительные блоки РНК, как если бы это происходило в условиях ранней Земли. Это и привело людей к мысли, что первая жизнь вовсе не была построена на РНК, как мы выяснили в третьей части. Земля — единственное место, где есть жизнь. Пока Джон Сазерленд думал об этой проблеме с 1980-х. Большинство научно-исследовательских институтов заставляют своих сотрудников постоянно генерировать новые работы, но LMB нет.
Поэтому Сазерленд мог хорошенько обдумать, почему сделать нуклеотид РНК так сложно, и провел годы, разрабатывая альтернативный подход. Его решение привело его к совершенно новой идее о происхождении жизни: все ключевые компоненты жизни могли сформироваться одновременно. Каждый нуклеотид РНК состоит из сахара, основания и фосфата. Но заставить сахар и основание соединиться оказалось невозможно. Молекулы просто не той формы. Поэтому Сазерленд начал пробовать совершенно другие вещества.
В конечном счете его команда пришла к пяти простым молекулам, включая другой сахар и цианамид, родственный цианиду. Эти химические вещества пропустили через цепочку реакций и в конечном итоге сделали два из четырех нуклеотидов РНК, не делая отдельные сахара или основания. Это был ослепительный успех, который сделал Сазерленду имя. Многие наблюдатели интерпретировали эти результаты как еще одно доказательство в пользу мира РНК. Но сам Сазерленд так не считал. Но Сазерленд говорит, что это безнадежно оптимистично.
Он считает, что РНК принимала важное участие, но на ней все клином не сходилось. Вместо этого он вдохновился одной из последних работ Шостака, которая как мы выяснили в пятой части совмещала РНК-мир «сперва воспроизводства» с идеями «сперва компартментализации» Пьера Луиджи Луизи. Сазерленд пошел еще дальше. Его подход представлял собой «сперва всё». Он хотел, чтобы цельная клетка собралась сама по себе с нуля. К этому его привела странная деталь в его синтезе нуклеотидов, которая сначала казалась случайной.
Жизни нужна жирная смесь веществ Последним шагом в процессе Сазерленда было забросить фосфат в нуклеотид. Однако он выяснил, что лучше всего было включать фосфат в смесь с самого начала, поскольку он ускорял первые реакции. Казалось, что включение фосфата до того, как он понадобится на самом деле, было слегка «грязноватым» действием, но Сазерленд выяснил, что этот хаос — это хорошо. И так он задумался о том, насколько беспорядочными должны быть смеси. Во времена ранней Земли должны были существовать десятки или сотни химических веществ, плавающих вместе. Рецепт шлама?
Но беспорядок может быть важным условием.
Это открытие представляет важный шаг в понимании того, как жизнь могла зародиться из примитивных химических систем на ранних этапах существования Земли и как она эволюционировала к более сложным формам, включающим каталитическую активность. Комментарии закрыты.