Гидрогеологическая система – колыбель жизни?

Автор ArefievPV, августа 28, 2017, 15:05:34

« назад - далее »

АrefievPV

К сообщению (в той теме данные рассуждения будут немного оффтопом):
https://paleoforum.ru/index.php/topic,8969.msg265814.html#msg265814
 
«Гомеостатическое ядро» живой системы нашего типа изначально сформировалось как замкнутая (закольцованная) на саму себя совокупность из взаимосвязанных сложных химических процессов – эдакий гиперцикл из сложных химических реакций (окончание одного гиперцикла является одновременно и началом следующего гиперцикла).
 
Таких гиперциклов (подобных друг другу) было множество в гидрогеологических системах, связанных (точнее – периодически связываемых друг с другом) в единую сеть на поверхности планеты. Именно в тот период и возник ЕО дарвиновского типа (в нашем теперешнем понимании) – эти гиперциклы возникали, воспроизводились, размножались (распространялись на соседние гидрогеологические системы) и умирали. В процессе такого ЕО оставались гиперциклы наиболее адаптированные к среде обитания.
 
Понятно, что адаптация (соответствие, согласованность) может быть как к текущим условиям, так и ко всем последующим условиям (если условия среды воспроизводятся периодически/циклически). Если система «вобрала» (типа, отразила в своей структуре в том или ином виде) в себя таковую периодичность/цикличность, то и ответная реакция на воздействия среды обитания, условия которой изменяются периодически/циклически, будет соответствовать этим средовым воздействиям. Можно сказать, что среда обучает систему (это к моим утверждениям, что среда создаёт систему, а после создания среда изменяет систему и управляет системой).
 
Обратите внимание на два момента – возможность существования системы за счёт постоянного воспроизведения своей структуры и возможность существования за счёт устойчивости/прочности своей структуры. То есть, долго существовать можно: и за счёт пассивной устойчивости, и за счёт постоянной воспроизводимости. Первый вариант характерен для систем, которые мы считаем (и обзываем) косными, а второй вариант характерен для систем, которые мы считаем (и обзываем) живыми.
 
Тут следует заметить, что наша эволюционная история ограничивает нас изначально – мы ведь начали существовать как химические процессы – в постоянной динамике (принято обзывать это дело метаболизмом или обменом веществ). И остановка этой динамики для нас равносильна смерти. Про споры, вирусы, цисты и пр., которые на первый взгляд вроде бы демонстрируют как раз такую остановку динамики, поясню ниже.
 
Замечание в сторону.
 
Необходимо уяснить, что при возникновении «ошибки/косяка/глюка» в структуре живой системы (а при воспроизведении это происходит очень часто), эволюция не «откатывает» назад структуру системы («фарш не провернут назад»), она может сформировать только «заплатки» поверх. Кстати, и в программировании этот приём весьма распространён – обычно не начинают переписывать программу (особенно сложную программу типа ОС) заново («с нуля»), а ставят «заплатку» (зачастую обзывают это дело обновлениями).
 
Поясню немного подробнее про фазы существования живых систем (в определениях я упоминаю о фазе).
 
В процессе эволюции (в результате ЕО) в живых системах возникли, как обособленные состояния, фаза активного существования и фаза пассивного существования.
 
Понятно, что изначально эти фазы мало отличались друг от друга – в одной фазе гиперциклы воспроизводились в полном объёме и с прежней интенсивностью, а в другой фазе в полном объёме, но на отдельных этапах воспроизводства и/или в отдельных каскадах реакций уже с меньшей интенсивностью.
 
Таковую особенность воспроизведения системы ЕО поддержал – зачастую это полезно для самосохранения системы в период недостатка энергетических и вещественных ресурсов (типа, уменьшить потребление при недостатке ресурсов). А когда наступил период прежнего изобилия ресурсов, то система перешла на прежнюю интенсивность воспроизводства гиперциклов.
 
Дальше – больше: теперь в одной фазе гиперциклы воспроизводились в полном объёме и с прежней интенсивностью, а в другой фазе в частичном объёме (какая-то часть каскадов реакций сильно тормозилась или вообще останавливалась) и с меньшей интенсивностью. Разумеется, останавливались те каскады реакций, которые не приводили к окончательной смерти системы – то есть, они могли быть запущены вновь при восстановлении окружающих условий (так сказать, до прежнего изобилия). Такая способность системы позволяла пережить уже более серьёзный недостаток ресурсов.
 
Постепенно в результате ЕО сформировались системы, которые могли не только уменьшать интенсивность, тормозить и/или останавливать отдельные каскады реакций, но и целые этапы воспроизводства (сначала притормаживать этап, а потом и останавливать его полностью). Опять-таки, тормозились и останавливались только те этапы, которые могли быть запущены вновь при возникновении соответствующих внешних условий.
 
Ну, и так далее – до возникновения полноценных фаз (фазы пассивного существования и фазы активного существования). Эти обособленные фазы были предтечами таких состояний живых систем как: «курица и яйцо», «растение и семя», «бактерия и спора» и т.д. То есть, правильный ответ на вопрос: «какая из фаз возникла первой?» (это как аналог вопроса: «что первично – курица или яйцо?») будет – сначала возникла живая система, а уж потом в ней возникли фазы (как обособленные состояния этой живой системы). Ну, или отвечать, что «курица и яйцо» возникли одновременно, как единый и неразделимый комплекс.
 
Возникает вопрос, почему таковые фазы не возникли (вообще-то они там были в качестве предтеч) сразу в момент рождения живых систем? Ответ простой – изначально живые системы нашего типа возникли как динамические воспроизводящиеся процессы, полностью зависимые (без намёка хоть на какую-то автономность) от среды обитания. В тогдашних существующих условиях, таковые процессы (и им подобные) возникали автоматически, и называть их живыми можно лишь с большой натяжкой (автономность там практически никакая).
 
Отвлекусь немного.
 
Вообще, наделение живых систем некоей субъектностью возникает вследствие иллюзии – люди не могут выявить внешние первопричины стремления к самосохранению и помещают эти первопричины внутрь системы. Причина (и возникновения, и функционирования, и «проактивности») всегда лежит вне рассматриваемой системы.
 
Напомню основное свойство/качество наблюдателя любого уровня – он всегда является локальным и актуальным отражением действительности. Локальным и актуальным – то есть, по определению, ограниченным. И при выделении любой системы он не может отразить в себе то, что находится за границами выделения (перевёл «взгляд» – и границы сдвинулись). Однако почему-то людям это сложно понять...
 
И ведь даже просто осознание, что причины настоящего лежат в прошлом (а по моим представлениям – сразу и в прошлом, и в будущем) уже должно навести на мысль, что причины происходящего всегда внешние (ведь и прошлое, и будущее – вне настоящего). Но этого не происходит – люди в своих размышлениях, представлениях, рассуждениях, объяснениях следуют выученному шаблону размышлений/представлений/рассуждений/объяснений. «Реактивный» у людей ассоциируется с косным (типа, самости-то нет, прямые и непосредственные реакции на воздействия), а «проактивный» ассоциируется с живым (типа, причины активности внутри, субъектность в наличии). И ведь мало кто задумывается о сути (и об истоках) таковой «проактивности»...
 
Продолжу.
 
То есть, первые живые системы были практически полностью «реактивными», «проактивность» в них не просматривалась. Но подобие ЕО (именно в дарвиновском понимании) уже было. Скажу больше – я считаю, что там было не просто подобие ЕО, а самый настоящий ЕО. 
 
Усложнение среды обитания таких первичных живых систем неизбежно приводило к усложнению самих живых систем (опять напоминаю: инициатор и ведущий – это всегда среда). Первичный этап усложнения системы можно обозвать «тупым» наращиванием сложности («слипание» нескольких гиперциклов, «облипание» гиперцикла всяким там «обвесом» и т.д.). Такое «тупое» усложнение систем было естественным процессом во многих случаях в той конкретной среде обитания (напоминаю – всё это «варилось» в гидрогеологических системах, в объёмах и на поверхностях (водной, дне и стенках) прудов и проток гидрогеологических систем).
 
А вот оставались (выживали и успешно распространялись) только те системы, которые оказались способными к формированию реакций на воздействия среды на протяжении всего периода/цикла (суток, сезона, года и пр.). То есть, оставались те системы, которые смогли отразить в своей внутренней структуре внешнюю периодичность/цикличность изменений средовых условий. Иначе говоря, оставались только системы, обученные ответным реакциям (знающие как надо реагировать) на весь период/цикл изменений среды. Сложность таких выживших систем уже можно обозвать функциональной сложностью.
 
Понятно, что такое обучение (то есть, знание и способность к адекватным реакциям на изменения среды на протяжении целого года) не гарантирует выживания на долгосроке, но как первый шаг к автономности (и, соответственно, к переходу от «реактивности» к «проактивности») – это вполне серьёзная заявка.
 
Кстати, обучение возможно, только если в самой структуре системы есть некий излишек/избыток «бесхозных» связей (то есть, имеется некоторая пластичность структуры, некоторый «люфт» в структуре) – когда всё до предела оптимизировано, то система к обучению не способна (малейшие изменения ведут к критической поломке и смерти).
 
Это означает, что обучение возможно только для «рыхлых/пластичных» систем – у них возможны изменения в структуре без критических повреждений. Результат обучения «прописывается» в структуре системы (изначально – только в «оболочке/обвесе», а не в «гомеостатическом ядре») и воспроизводится совместно с прочим «обвесом». Разумеется, по мере дальнейшей эволюции часть «записей» может быть интегрирована в «гомеостатическое ядро». Кстати, гомеостаз организуется (по мере усложнения системы) на разных уровнях живой системы (а не только на уровне генов) – это результат обучения с последующей оптимизацией.
 
Само собой, «рыхлые/пластичные» системы по выживаемости сильно уступают адаптированным и предельно оптимизированным системам в текущих условиях. Но при изменении условий всё меняется (зачастую, на 180 градусов) – «рыхлые/пластичные» системы выживают, а адаптированные и предельно оптимизированные к прежним условиям системы, гибнут.
 
А вот уже обученную систему в последующий период ужесточения ЕО ждёт неизбежная оптимизация – потеря лишних «бесхозных связей. Внешне это выглядит как специализация. Система становится обученной до предела – становится, так сказать, идеально адаптированной к условиям существования.
 
Оптимизированная обученная система по сравнению со своим предком – неоптимизированной обученной системой имеет преимущество (как минимум, для её воспроизводства требуется меньше ресурсов) и недостаток (она плохо обучаема для новых условий).
 
Таких циклов: «наращивание «тупой» сложности – обучение (возникновение функциональной сложности) – оптимизация/специализация» в эволюции было много. Забавно, что и на уровне нашего социального обучения (воспитания, дрессировки) происходят аналогичные процессы, но это разговор для другой темы.

АrefievPV

Закину мыслишку (пока сыровата, конечно, надеюсь, потом доработаю), дабы не забылась...

Эукариоты появились в колонии – колония являлась средой обитания первых эукариот. Эволюция отдельных клеток (отдельных линий) происходила совместно и параллельно с эволюцией самой колонии (типа, коэволюция клеток (протоэукариот) и колонии).

Кроме того, эволюция эукариот (как отдельных клеток, как отдельных линий) в многоклеточный организм происходила именно в форме колонии – то есть, в первую очередь шёл отбор колоний.

И даже не очень удачный вариант (для индивидуального выживания) «отпочковавшейся» клетки-одиночки («почки», из которой разовьётся колония) легко перекрывался удачливостью колонии. По сути, совместное выживание оказалось в приоритете перед индивидуальным выживанием. Ну, и как следствие, после определённого по продолжительности периода такой совместной эволюции (в виде колонии), индивидуально клетки уже не могли толком выживать (а вот в виде многоклеточного организма – запросто).

Мало того, предполагаю, что вариантов протоэукарит было много, но абсолютное большинство из них оказались тупиковые.

Принцип, благодаря которому возникали сначала протоклетки, затем  клетки (прокариоты), а потом протоэукариты и наконец эукариоты был один и тот же – интеграция геномов и прочей молекулярной «машинерии» в единое целое.

Понятно, что сначала происходила интеграция в единый объём, а потом оптимизация внутренней структуры (и, разумеется, параллельно этому, оптимизация оболочек этого объёма) этого объёма в процессе эволюции.

Интеграция в единый объём с большей вероятностью (на много порядков большей) будет происходить, если интегрируемое постоянно (или очень часто) находится поблизости и/или в непосредственном контакте. А такие условия как раз и складываются в колонии.

То есть, для возникновения эукариоты нужна соответствующая среда обитания – колония из разных видов прокариот. В аналогичных условиях появлялись и сами прокариоты – в протоколонии из разных видов протоклеток. Опять-таки, предполагаю, что вариантов протоклеток было много, но абсолютное большинство из них оказались тупиковые.

P.S. Несколько ссылок (и совсем крохотных цитат) из заблокированной темы.

Немного о проплазменной форме жизни, переходе в протоклеточную и пр. здесь:
https://paleoforum.ru/index.php/topic,9509.msg234921.html#msg234921

ЦитироватьПодытожу: переход в клеточную (сначала, в протоклеточную) форму состоялся не поодиночке, а в виде колонии (сначала, в виде протоколонии) и геном (сначала, протогеном)  поначалу был общий для всей колонии (протоколонии) и разбросан по клеткам (протоклеткам . Дальнейшая эволюция (до полноценной клеточно-генетической формы) шла уже в протоколониях.

А здесь немного об изначальной социальности жизни:
https://paleoforum.ru/index.php/topic,9509.msg235197.html#msg235197

ЦитироватьВыскажу даже такую, парадоксальную, на первый взгляд, мысль – индивидуальное существование и, соответственно, индивидуальное поведение, возникли много позже в  эволюции живых систем.

Изначально, и существование, и поведение, были только коллективными. И первоначально такое индивидуальное (обособленное) существование (а следом, и поведение) были вовсе не нормой и нещадно отсекались ЕО. Мутанты, способные существовать индивидуально (обособленно, отдельно от колонии), имели шанс оставить потомков только при весьма необычных условиях – полнокомплектность генома и отсутствие конкурента в виде протоколонии в данной экологической нише. Причём, такая индивидуальность (обособленность) существования была весьма относительна – в общем геноме (для всей протоколонии) большинство генов были завязаны именно на коллективное сосуществование и возникший мутант их нёс в себе.

Но при определённых условиях, для протоколоний, имещих в своём составе некоторое количество таких протоклеток (мутантов-индивидуалистов), это было благом – такие протоколонии могли быстрее конкурентов осваивать освободившиеся ниши (пруды, локальные гидрогеологические системы) после гибели или ухода прежних жильцов.

Тут немного о возможном сценарии возникновения многоклеточности:
https://paleoforum.ru/index.php/topic,9509.msg241444.html#msg241444

Теперь несколько ссылок (и цитата) из этой темы.

Несколько важных моментов (про «маргиналов», режимы работы и пр.):
https://paleoforum.ru/index.php/topic,10211.msg255214.html#msg255214

Ещё чуток (по сценариям возникновения жизни):
https://paleoforum.ru/index.php/topic,10211.msg256540.html#msg256540
https://paleoforum.ru/index.php/topic,10211.msg256541.html#msg256541

А вот здесь следует обратить внимание на мой комментарий (наверное, он получился слегка ироничным):
https://paleoforum.ru/index.php/topic,10211.msg256721.html#msg256721
Цитата: АrefievPV от октября 16, 2021, 17:04:23...
Происхождение жизни
http://www.evolbiol.ru/paleobac.htm
ЦитироватьВ начале было сообщество

Многие биологи полагают, что все разнообразие жизни на нашей планете происходит от единственного исходного вида – "универсального предка". Другие, в том числе крупнейший микробиолог академик Г.А.Заварзин, несогласны с этим. Устойчивое существование биосферы возможно только при условии относительной замкнутости биогеохимических циклов. В противном случае живые существа очень быстро израсходуют все ресурсы или отравят себя продуктами собственной жизнедеятельности.

Замкнутость циклов может быть обеспечена только сообществом из нескольких разных видов микроорганизмов, разделивших между собой биогеохимические функции (примером такого сообщества являются циано-бактериальные маты). Заварзин считает, что организм, способный в одиночку замкнуть круговорот, столь же невозможен, как и вечный двигатель.

Для этапа химической преджизни это еще более очевидно. Никакая отдельно взятая органическая молекула не сможет устойчиво самовоспроизводиться и поддерживать гомеостаз в окружающей среде. На это способны только комплексы из довольно большого числа разных молекул, поделивших между собой функции.

Скорее всего, общим предком всего живого был не один вид, а полиморфное сообщество, в котором происходил активный обмен наследственным материалом между организмами. Разнообразие, симбиоз, разделение функций, информационный обмен – изначальные свойства земной жизни.
Народ так и не сделал последнего шага в рассуждениях...

А чего проще-то – задать себе вопрос: как и каким образом обеспечивалась замкнутость циклов до клеточных организмов? И чем, в таком случае, сие образование следует считать? На мой взгляд, сие образование следует считать протоплазменной формой жизни. Но, это "на мой взгляд", а не на "их взгляд"...

АrefievPV

Чуток вольных размышлизмов (закину, чтобы не забыть).
 
Способность к самосохранению появилась, когда начали возникать системы с внутренним гомеостазом – по сути, с внутренним закольцованным гиперциклом химических реакций (это, если речь идёт о жизни нашего типа). Системы в большом количестве возникали в результате сложных взаимодействий внутри среды, каждый раз заново.
 
Напоминаю: среда создаёт систему, а не система создаёт самое себя.
 
Конечно, способность систем к самосохранению (причём, в первую очередь, самосохранение в активной фазе существования) спровоцировала конкуренцию за ресурсы между системами. Разумеется, со всеми вытекающими адаптациями* для более эффективной конкуренции – оптимизация структуры, повышенную прочность/устойчивость, способность к восстановлению структуры после повреждения, экономность, возможность пережидать плохие условия в пассивной фазе существования и т.д.
 
Но вся проблема была в том, что среда создавала системы каждый раз заново, и все адаптации* происходили только прижизненно и по наследству не передавались. В самих системах никакой долговременной памяти не было, да и нужды для однократно и недолго живущих систем в такой памяти никакой не было. Мало того, наличие такой памяти сильно ухудшало другие возможные адаптации* (например, оптимизацию структуры и экономичность).
 
Одна из вытекающих адаптаций* (способность к восстановлению структуры после повреждения) оказалась достижима несколькими способами. Один из этих способов – переход в режим самовоспроизводства.
 
Строго говоря, изначально этот способ не являлся способом размножения, как стремлением к продолжению рода, это был всего лишь способ самосохраниться таким вот образом – реплицироваться в свеженькую копию, пока не разрушился оригинал (как образец для репликации). И так раз за разом – копии/реплики передавали свою структуру по эстафете от поколения к поколению и тем самым сохраняли её в череде поколений. Вполне нормальное решение.
 
А если ещё и реплик с одного оригинала получаются больше, чем одна (например, в течение жизни оригинала с него реплицируется несколько копий последовательно, или, сразу несколько копий за один акт репликации), то конкуренция уже возникнет сразу между несколькими линиями, а не только между копиями в одном поколении. Вот тут уже ЕО (в дарвиновском смысле) начнёт работать во всю мощь.
 
Замечание в сторону.
 
Понятно, что реплику создаёт по-прежнему среда, просто оригинал имеет такую специфическую структуру, что для среды энергетически выгоднее реплицировать копию оригинала, нежели создать другую систему заново (разумеется, из подходящих «блоков», находящихся в среде по месту создания). То есть, репликация систем процесс естественный (и энергетически выгодный именно для среды), а не обусловлен каким-то неведомым стремлением системы реплицироваться. И вообще, все эти стремления (и стремление к размножению, и стремление к самосохранению) являются всего лишь интерпретациями наблюдателя.
 
Кстати, именно в эту проблему – как возникла эта изначальная специфическая структура оригинала – упёрлась наука в вопросе происхождения жизни на нашей планете. На мой взгляд, этот вопрос уводит в сторону – только затрудняет и маскирует выявление сути жизни (конкретно – сути живой системы) явлением репликации. Поэтому в настоящее время людям очень трудно понять и принять идею, что репликация (хоть расширенная, хоть нерасширенная) является всего лишь способом самосохранения.
 
Продолжу.
 
Само собой, точной копии не получалось, соответственно, и свойства оригинала наследовались не полностью. Однако для реализации такой адаптации долговременная память уже не была излишеством, она могла пригодиться для следующей копии, ведь у предыдущей копии уже могли быть выработаны некоторые нужные адаптации*, которые можно было использовать.
 
И вот тут уже у меня вопрос (прямо-таки, крамольный) по изначальной специфической структуре оригинала – были ли ядром такой структуры и ядром структуры памяти только лишь нуклеиновые кислоты? Или белки тоже могли сформировать структуру ядра и/или памяти? Или поверхность минералов (апатиты) могла оказаться структурой памяти, например? Вопросы...
 
Да, в настоящее время мы видим, что нуклеиновые кислоты являются ядром и успешно справляются с выполнением функции долговременной (наследственной) памяти. Но в прошлом это ведь могло быть по-другому – ядро было образовано одной структурой, а память другой. Просто ядро и память были связаны друг с другом и реплицировались совместно. Впоследствии функции и роли могли перераспределиться.
 
Хорошей гипотезой в русле этой идеи является гипотеза «РНК-мира», но она, опять-таки, отводит ведущую (и даже – единственную) роль нуклеиновым кислотам.
 
У меня складывается впечатление, что такая структура ядра и памяти не является единственной, а сложилась именно в тогдашних земных условиях.
 
И возвращаясь к структурам ядра и памяти – только интегрировавшись (опять интеграция создаёт следующий уровень, опять выживают гибриды, опять при взаимодействии двух возникает/формируется третье) в единую систему, они смогли дать начало живым системам с генетическим кодом. 

Скорее всего, протоплазменная форма жизни не обладала геномом (изначально – точно не обладала, а позднее – вполне могло появиться нечто подобное) – геном появился только у «бутербродной» формы жизни, а потом его унаследовала протоклеточная форма жизни (протоколонии из протоклеток в массивах пузырьков пены). Но возможен вариант, что массивы пены «захапали» гены независимо от полей с «бутербродиками» с восходящими потоками пузырьков со дна и стенок прудов гидрогеологических систем.
 
Тем не менее в защиту протоплазменной формы жизни можно сказать, что реплицировалась эта форма жизни весьма успешно (даже расширенной репликацией – размножением), и захват соседнего пруда через протоку, был обычной ситуацией в то время. Долговременная память базировалась в самой протоплазме (её потомки, модифицированные до неузнаваемости – некоторые виды эпигенетической памяти). И не важно, что внешне это было похоже на рост и почкование протоплазмы, конкуренцию оно обеспечивало (как и полноценный ЕО). 

Вообще плюсов (и минусов, конечно) у такой формы жизни хватало – пруд играл роль суперклетки с огромным (просто фантастическим) прижизненным адаптационным потенциалом; полнейшая интеграция процессов, ускорявшая поиск/перебор вариантов решений неимоверно; чудовищная скорость эволюции – большую часть эволюционного пути от косной до полноценной живой предклеточного уровня было пройдено именно протоплазменной формой жизни. 

Но и минусы тоже были: паразиты там просто процветали (интеграция-то полнейшая и любой паразитарный процесс там мгновенно распространялся); попадание в гидрогеологическую систему извне воды в товарных количествах могло погубить эту форму жизни (защитной оболочки-то не было), что и произошло при наступлении первичного океана (благо процесс был растянутый, и часть процессов успела перебазироваться в массивы дырявых пузырьков пены)
 
P.S. Крамольный вопрос, это вопрос о жизни вообще, а не только лишь о земной жизни.

АrefievPV

Продублирую ссылку в эту тему.
Цитата: АrefievPV от июля 21, 2023, 16:30:31Есть ли альтернатива углеродно-водной жизни?
https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/436822/Est_li_alternativa_uglerodno_vodnoy_zhizni
Панспермия и альтернативная биохимия

АrefievPV

Продублирую сюда сообщение (новость + мой комментарий):
Цитата: АrefievPV от января 26, 2024, 08:21:51Блокчейн использовали в моделировании четырех миллиардов реакций, необходимых для зарождения жизни
https://naked-science.ru/article/chemistry/blokchejn-ispolzovali-v-m
Команда химиков применила вычислительные мощности распределенной сети компьютеров, чтобы сгенерировать крупнейшую из когда-либо созданных цепей химических реакций, которые могли привести к появлению пребиотических молекул на ранней Земле.
ЦитироватьВ исследовании, опубликованном в журнале Chem, ученые использовали потенциал технологии блокчейн для решения проблем за пределами финансового сектора, которые в противном случае потребовали бы дорогих и труднодоступных суперкомпьютеров. Авторам научной работы удалось изучить все возможные комбинации химической реактивности, действовавшие на первобытной Земле, и показать, что некоторые примитивные формы метаболизма могли возникнуть даже без участия ферментов.

Чтобы применить блокчейн-сеть для расчета нужных реакций, исследователи сначала выбрали набор исходных молекул, которые присутствовали на ранней Земле, например воду, метан и аммиак, установив правила, какие реакции могли происходить между различными типами молекул. Затем эту модель задействовали для расчета наиболее вероятных реакций на блокчейн-сети распределенных вычислений.

Для этого команда ученых объединила свои усилия с компьютерными специалистами, использующими искусственный интеллект для планирования химического синтеза. Вместе они создали блокчейн с использованием платформы Golem, которая организует вычисления на сотнях компьютеров по всему миру, платя владельцам ПК криптовалютой в обмен на вычислительное время их машин.

Получившаяся сеть, названная NOEL (Network of Early Life), начиналась с 11 миллиардов реакций, а затем была сжата до 4,9 миллиарда наиболее правдоподобных. В итоге NOEL содержит части хорошо известных метаболических путей, таких как гликолиз и имитация цикла Кребса, и синтез 128 простых биотических молекул, таких как сахара и аминокислоты.

Однако среди почти пяти миллиардов произведенных реакций только сотни реакционных циклов оказались «самовоспроизводящимися» — в них молекулы создавали копии самих себя. Предполагается, что именно свойство саморепликации сыграло центральную роль в возникновении жизни, но подавляющее большинство ее известных проявлений требуют сложных макромолекул, например ферментов. Полученные же результаты показали, что при наличии только небольших молекул самовоспроизведение — редкое событие, так что, как полагают авторы, это свойство появилось позднее в процессе эволюции.

В итоге совместная работа химиков и IT-специалистов не только расширила знания о ранней пребиотической химии, но и показала, как благодаря распределенным вычислениям науку можно сделать более доступной для исследователей в небольших университетах и институтах, где нет доступа к суперкомпьютерам. Более широкое использование блокчейн-платформ поможет резко изменить организацию крупномасштабных вычислений, радикально упростив их даже для игроков без высокопроизводительного «железа».

P.S. Опять забыли про среду, в которой происходили все эти «самовоспроизведения» – эти реакционные циклы ведь не в вакууме шли (кстати, даже сам реакционный цикл есть составная часть среды). То есть, это не «молекулы создавали копии самих себя», а именно среда создавала копии/реплики молекул, а молекулы здесь играли роль образцов/оригиналов для копирования/репликации.

василий андреевич

Цитата: АrefievPV от января 26, 2024, 08:37:06среда создавала копии
Если она (среда) компьютерная, вычисляющая. Да здравствует Высший Разум))))

АrefievPV

Происхождение жизни: неферментативная репликация
https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/436987/Proiskhozhdenie_zhizni_nefermentativnaya_replikatsiya
Интервью Бориса Штерна с Александром Марковым

АrefievPV

Продублирую сюда:
Цитата: АrefievPV от февраля 07, 2024, 09:04:04Альтернативные формы жизни
https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/436997/Alternativnye_formy_zhizni
Интервью Бориса Штерна с Михаилом Никитиным

P.S. Прокомментирую некоторые высказывания.

ЦитироватьКак и везде в естественных науках, в отличие от математики и философии, мы тут не можем начать с того, чтобы дать строгое определение, что такое жизнь. Но пока мы находимся на Земле и рассматриваем то, что есть на Земле, мы более-менее интуитивно понимаем, что там живое, а что не живое. То есть царства растений, животных и минералов люди выделяли тысячи лет назад.
Строгое определение (при этом, определение желательно в «зрелой» форме, а не перечнем свойств/качеств) жизни дать не могут, а только «более-менее интуитивно понимают, что там живое, а что не живое», но умудряются выстраивать сложные конструкты на такой зыбкой базе...

Грубо говоря, наша интуиция (точнее, её нейрофизиологическая основа – нейросети мозга) обучается на наглядных примерах, а размножение, это наглядно, но глубинная суть при этом не видна. И здравый смысл, в этом плане, только поверхностное осмысление результатов обучения – выделение поверхностной сути («что вижу, о том и пою»).

Судя по всему, это самое «более-менее интуитивное понимание» и завело в «когнитивный тупик». В итоге саморепликация поставлена во главу угла. Ну и, так как, в основу живого поставили, так называемую, саморепликацию, то всё остальное оказалось жёстко привязанным к этой «саморепликации». И вот тут некоторые вещи начинают нестыковаться, но люди этих нарушений логики не замечают.

Характерный пример (из цитаты ниже). Сначала умудряются заражённую вирусом клетку обозвать вирусом в активной форме, и эта клетка начинает производить вирусные частицы (типа, вирусы в покоящейся стадии). Вроде основа определения живого (саморепликация живой системой самое себя) не нарушена – вирус реплицирует сам себя (типа, активная форма создаёт покоящиеся стадии). Нормально же, да? А ничего, что клетка (хоть заражённая, хоть незаражённая), это не вирус? Вот ни в какой форме или стадии клетка, это не вирус.

Репликация, это только способ сохранения своей структуры именно для таких неустойчивых химических систем, как живые системы нашего типа жизни (то есть, главное, чтобы успела сформироваться копия структуры в реплике, пока структура оригинала не разрушена (а если реплик получилось больше, то и вероятность сохранения оказывается выше)).

При этом, если смотреть глобально, то это просто соответствие (напомню: жизнь – это живая система + её среда обитания) условий среды и структур систем-образцов/оригиналов, которые среда может реплицировать. Тут: без соответствующих систем-образцов/оригиналов не будет реплик – не с чего делать копии), а без соответствующих условий среды не будет репликации – такие системы-образцов/оригиналы данная среда не будет реплицировать (возможно, системы с другой структурой будет, но вот эти не будет).

ЦитироватьНекоторую сложность доставляли вирусы, но тут я могу сказать, что вирусы, конечно же, живые, хотя бы потому, что кафедра вирусологии находится на биологическом факультете, а не на химическом и не на геологическом. Вирусы способны к размножению, также, как и все другие живые существа, просто те формы вирусной частицы, которые кристаллизуются и более упорядочены, чем живые клетки, — это их покоящаяся стадия. А активная форма жизни вируса — это вироклетка, зараженная клетка, которая производит новые вирусные частицы. Она со всей очевидностью живая — это размножающаяся форма живого организма, вируса.
Аргумент, что «вирусы, конечно же, живые, хотя бы потому, что кафедра вирусологии находится на биологическом факультете» – это шутка, наверное.

Обозвать заражённую вирусом живую клетку вирусом в активной форме для того, чтобы наделить «живостью» вирус – это какое-то жонглирование понятиями...

На самом деле, это вынужденная мера, дабы не порушить основу определения живого – так называемую, саморепликацию. «Закрывать глаза» на то, что именно клетка создаёт реплики вируса, а не сам вирус создаёт собственные реплики – то есть, в данном случае живая клетка является средой, реплицирующей вирус, а вирус является только образцом/оригиналом для репликации – наверное, вера диктует...

И да, живая система может находиться в двух фазах (и эти фазы достаточно легко выявляются) – в активной, и в пассивной. Но изначально (в момент возникновения живых систем) чёткого разделения фаз не было, оформились/обособились  фазы в результате эволюции, как адаптации для выживания. Это ещё и к вопросу «что первично, курица или яйцо» (на базовом уровне, разумеется) – типа, какая из фаз была первичной.

ЦитироватьПотому что жизнь довольно четко отличается от неживой материи на Земле по способности к дарвиновской эволюции, по способности к неограниченной наследуемой изменчивости. Так, живые организмы производят свои копии, копии эти не являются точными — они все-таки немножко отличаются от родителей, — изменения этих копий наследуются следующими поколениями (это не одна ошибка, которая будет исправлена в следующем поколении, это наследуемое изменение), а разница между этими копиями влияет на их дальнейшее размножение. Существует отбор. Какие-то потомки с какими-то вариациями размножаются лучше, другие потомки с другими вариациями размножаются хуже и в конце концов могут исчезнуть из популяции.
Не организмы производят собственные копии, а среда производит копии организмов (организмы играют только роль образцов/оригиналов для копирования). При этом не следует забывать, что и среда, и образец, это вещи относительные – например, для молекулы ДНК/РНК, это внутриклеточная среда, а для клетки это уже внеклеточная среда, но в пределах колонии, такни, органа и т.д.

Вот здесь описана аналогия с копировальным аппаратом и упоминание о том, что репликация это только способ сохранения:
https://paleoforum.ru/index.php/topic,9509.msg234446.html#msg234446

Здесь чуток подробнее поясняю:
https://paleoforum.ru/index.php/topic,8969.msg238885.html#msg238885

Здесь попытался обозначить связь между механизмом сознания, субъектностью, механизмом самосохранения, сутью возникновения автономности живых систем:
https://paleoforum.ru/index.php/topic,9297.msg233720.html#msg233720

Здесь попытался расписать сценарии возникновения основ живого:
https://paleoforum.ru/index.php/topic,10211.msg265926.html#msg265926
https://paleoforum.ru/index.php/topic,10211.msg267052.html#msg267052

ЦитироватьДарвиновский естественный отбор — это очень важный процесс. Более того, он входит в рабочее определение астробиологической программы NASA. Там определение очень короткое: «Жизнь — это химическая система, способная к дарвиновской эволюции». Но какой должен быть материальный субстрат, чтобы поддерживать дарвиновскую эволюцию? Он, строго говоря, не обязан быть химическим.
«Химическая жизнь», к которой принадлежит и наш тип жизни (атомно-молекулярная форма жизни на основе соединений углерода и воды), это только частный случай жизни.

Как уже говорил, в основе живого лежит стремление к самосохранению. Возникает таковое стремление как нарушение гомеостаза. Ну, а любой гомеостаз (любого уровня) системы всегда сводится к некоей совокупности замкнутых/закольцованных процессов внутри системы (и/или замкнутых/закольцованных процессов на этом уровне).

То есть, гомеостаз системы, если совсем уж упрощать (предельно простая система, единственный замкнутый/закольцованный процесс и т.д.), сводится к процессу, который воспроизводится раз за разом внутри системы.

Сразу уточняю – этот процесс возникает и поддерживается взаимодействиями элементов системы между собой (разумеется, часть элементов системы взаимодействует и с внешней средой – система должна быть открытой) – то есть, даже для этого процесса причины его возникновения и существования – внешние. И вообще, любая сущность возникает и существует благодаря внешним причинам (утрируя можно сказать, что «при взаимодействии двух возникает третье»).

При нарушении (например, при внешнем воздействии на систему) этого процесса, как раз и возникает направленный потенциал (процесс обладает инерцией и, как бы, стремиться продолжить «крутиться»).

Здесь приведена цепочка рассуждений, как я пришёл к тому, что следует положить в основу определения жизни:
https://paleoforum.ru/index.php/topic,9509.msg234477.html#msg234477

Здесь скучковал основные определения:
https://paleoforum.ru/index.php/topic,9297.msg267302.html#msg267302

Здесь скучковал критерии (в том числе, и «при взаимодействии двух возникает третье»):
https://paleoforum.ru/index.php/topic,12369.msg258384.html#msg258384

АrefievPV

К цитате:
Цитата: АrefievPV от августа 28, 2022, 11:41:27Я уже писал, как формируется прогрессивное усложнение систем, повторю немного.
 
Естественным (и наиболее вероятным) является именно «тупое» (всякое там слипание, соединение, включение в себя всякого «хлама» и пр.) усложнение системы, не несущее какого-то преимущества, функциональности и т.д. Изменилась среда обитания, и появились возможности для наращивания «тупой» сложности – то есть, стали более вероятны такие процессы.
 
Возникновение функционального усложнения является очень маловероятным событием и чем сложнее исходная система, тем менее вероятно такое событие. Кстати, этим фактом очень часто пользуются критики и противники теории естественного возникновения жизни.
 
Функциональное усложнение систем возникает в результате ЕО, путём изменения и оптимизации структуры («тупой» сложности) систем. То есть, изменилась среда обитания в очередной раз, и сложные (с наращенной «тупой» сложностью) системы начали упрощаться, параллельно адаптируясь (типа, стали более вероятны такие процессы).
 
Мало того, возникновение новой функциональности без упрощения (исключения части элементов) также очень маловероятно. Даже паразиты, обретая новую функциональность, неизбежно упрощаются.
 
Для изменения внутренних связей надо, или что-то включить в систему, или что-то исключить из системы. Включение приведёт к наращиванию «тупой» сложности – вероятность обретения новой функциональности очень мала (система скорее сломается). Исключение приведёт к упрощению системы – по сути, к деградации системы. А вот если сначала нарастить «тупую» сложность, а потом начать терять элементы в силу естественных причин (тем самым поневоле изменяя внутренние связи), то можно с достаточной вероятностью обрести новую функциональность и сохранить сложность не ниже исходной (до наращивания «тупой» сложности).
 
Тут важно отметить сразу два принципиальных момента:
 
Функциональность возникает, как адаптация к условиям существования (как ответ системы на комплексные воздействия среды обитания на протяжении многих поколений). То есть, сама функция/функциональность требует взаимодействия системы и среды – она и рождается/возникает в процессе такового взаимодействия (функция, это, как бы, алгоритм этого взаимодействия).
 
– В процессе адаптации, практически неизбежно, «выпадают» элементы, звенья, части адаптирующейся системы (опять-таки, на протяжении многих поколений это происходит). Упрощение гораздо более вероятно, нежели некое конструктивное усложнение (упрощение, это процесс вполне естественный). Само собой, при «выпадении» элементов, в системе изменяются и её внутренние связи (типа, возникают новые связи без посредников). Однако таковое упрощение идёт на фоне формирования функциональности (на фоне адаптации) – то есть, происходит то, что можно назвать оптимизацией.
 
И если после обретения какой-то функциональности с параллельным упрощением структуры системы (то есть, оптимизацией структуры) возникает новая прогрессивная сложность, то никаким прямым (то есть, постепенным наращиванием прогрессивной сложности системы в процессе эволюции) моделированием это не объяснить – формирование такой последовательности из маленьких эволюционных «шагов» прогрессивного усложнения очень маловероятна.
 
Мало кто допускает, что эволюция идёт всеми возможными путями сразу – в том числе, через множество циклов («тупое» усложнение – упрощение + формирование функциональности). И, имея перед глазами исходную простую систему и конечную конструктивно сложную систему (после адаптации – то бишь, после обретения некоей функциональности), просто невозможно себе представить, как такое (весьма маловероятная последовательность событий) произошло.
 
Ошибка исследователей заключается в том, что, реконструируя последовательность событий, они применяют метод прямого моделирования – постепенное наращивание прогрессивной сложности системы в процессе эволюции маленькими «шагами». Но эволюционный путь оказался скорее похожим на последовательность «петель», а не линию – то есть, каждый маленький «шаг» является эволюционной «петлёй».   
 
Кстати, эти принципиальные моменты являются дополнительными аргументами к моему утверждению, что среда не только порождает систему, но и после рождения системы продолжает определять реакции системы (по сути, среда управляет системой).

Смена функции и интеграция («слипание») устраняют противоречие между постулируемым плавным поступательным эволюционизмом (эволюция путём малых эволюционных шагов, где каждый последующий шаг немножко улучшает) и его результатом (некоей системы со сложной структурой с определённым функционалом), который, исходя из здравого смысла, не мог возникнуть постепенно.

То есть, по мнению некоторых учёных, функционал системы оказывается слишком специфическим и может возникнуть только сразу/одновременно с возникновением данной системы со сложной структурой. Мол, пошагово такая система с таким функционалом возникнуть не может – вероятность такого возникновения чрезвычайно низкая. Иначе говоря, сложная составная система (у которой составные части обладают своим функционалом) возникает сразу в уже готовом виде (и функционал как структура этих частей уже является согласованным).

И главным доводом в пользу такого сценария (кстати, для очень сложных систем мало отличающегося от акта Божественного творения) является то, что невозможно существенно изменить любую часть (тем самым рассогласовав структуру и функции с остальными частями) такой системы, не разрушив структуру этой системы и/или лишив эту систему той полезной функции, которая у неё имеется.

Однако здесь не учитывается ряд существенных моментов:

– во-первых, функционал системы проявляется (и определяется) при взаимодействии этой системы с окружением в каком-то процессе. То есть, для проявления какой-то функции нужна не только некая система, но и соответствующее ей окружение (и новый функционал у системы может проявляться даже просто при изменении свойств среды – эдакая коэволюция системы и среды).
– во-вторых, функционал системы может меняться, в зависимости от свойств окружения и/или от того, в каком состоянии в среде находится система – в составе другой системы или в свободном состоянии (это в принципе то же самое, что и зависимость от свойств окружения).
– в-третьих, эту самую необычайную согласованность структур и функционала частей системы мы наблюдаем обычно у уже хорошо оптимизированных систем (они прошли долгий путь ЕО, остались наиболее эффективные системы). Но на начальном этапе, когда только ещё произошла интеграция («слипание») частей будущей сложной системы, согласованность функций и соответствие структур этих частей было слабым.

Проблема невозможности возникновения эволюционным путём необычайно точной согласованности (соответствия) всех частей системы, которые при согласованной же работе (согласованного выполнения своих функций) обеспечивают выполнение сложного и специфического функционала данной системой в целом, является надуманной проблемой. Типа, как же могли возникнуть такие сложные функциональные структуры путём малых эволюционных изменений, если любое изменение сразу же необратимо разрушает функциональность этой сложной структуры?!

С чего мы взяли, что эти части ранее по отдельности были такими же и выполняли те же самые функции, что и в данной сложной системе? Разве трудно было предположить, что части были немного другими и выполняли иные функции? Разве трудно допустить, что среда существования этих частей была другой? Разве трудно догадаться, что функционал части системы, будучи в свободном состоянии может отличаться (зачастую кардинально) от той же части, но находящейся в составе системы?

Сложная структура системы может возникнуть из более простой структуры путём постепенного усложнения – то есть, путём малых эволюционных изменений, поддерживаемых ЕО. Более сложные системы могут возникать в результате интеграции («слипания») простых (и усложнённых тоже) систем. При этом у последних (простых и усложнённых простых) может сильно меняться функционал – функционал простой системы в свободном состоянии будет не тот же самый, нежели функционал простой системы в составе сложной системы.

Отрадно читать, что в том же направлении «копает» и Никитин (полностью приведу это интервью в отдельном сообщении):

Как в мире РНК появились белки
https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/437039/Kak_v_mire_RNK_poyavilis_belki
ЦитироватьТипичная рибосома состоит из трех (у бактерий) или четырех (в случае эукариот) молекул РНК и из нескольких десятков белковых молекул, которых может быть до 80. То есть это такая довольно большая и сложная молекулярная машина. Довольно трудно было бы представить, как такая машина может возникнуть путем дарвиновской эволюции пошагово, т. е. путем накопления последовательных мутаций: большинство из деталей рибосомы нельзя выкинуть, не поломав ее главную функциональность — кодируемый синтез белков. Но по мере накопления фактов, по мере изучения разнообразия рибосом, по мере изучения некоторых других биологических процессов стало понятно, что рибосома могла возникнуть эволюционным путем — путем смены функций, так же, как и другие сложные биологические системы.
ЦитироватьЗначит, во-первых, рибосома состоит из двух химических компонент: из РНК нуклеиновой кислоты и из рибосомных белков. Что делает рибосома, если разбираться конкретно? Основная химическая реакция, которую катализирует рибосома, — это пептидилтрансферазная реакция, т. е. перенос пептидной цепочки растущего белка на молекулу следующей аминокислоты. При этом происходит удлинение цепочки на одну аминокислоту. Эта реакция происходит в пептидилтрансферазном центре рибосомы, и из изучения структуры рибосом видно, что никаких рибосомных белков в пептидилтрансферазном центре нет. Он образован только рибосомной РНК, и механизм катализа в нем обеспечивается только РНК. То есть рибосома — это самый главный, самый важный рибозим, присутствующий в любой живой клетке. Это указывает на принципиальную возможность работы рибосомы в какой-то древней, примитивной, вообще без белков среде. Так что парадокс курицы и яйца у нас на этом месте не возникает: для синтеза первых белков не обязательно уже иметь готовые белки. Голая РНК с этим может справиться.
ЦитироватьВо-вторых, белки с их химическим разнообразием могли быть включены в какие-то начальные стадии гонки вооружений. Гонка вооружений — это известный эволюционный механизм, который может обеспечивать очень быстрые изменения. Все современные организмы находятся в состоянии гонки вооружений по направлению паразит — хозяин. На всех клеточных формах жизни паразитируют те или иные вирусы. И поэтому всё время среди клеток есть отбор на устойчивость к вирусам, а среди вирусов есть отбор на способность к заражению клеток хозяев. И этот отбор не прекращается никогда. Все четыре с лишним миллиарда лет, что жизнь на Земле существует, этот отбор шел и производил множество эволюционных новшеств.

И в мире РНК, скорее всего, с самых ранних этапов был в том или ином виде паразитизм. Какие-то первые паразиты могли быть похожи на современные вироиды — паразиты РНК-вирусов. Белки, распознающие такие вироиды или кодируемые самими вироидами, могли быть оружием в этой гонке вооружений. Преимущество белков тут в том, что их нельзя разрушить теми рибозимами, которые разрушают другие РНК. Белки неуязвимы к нуклеазам. Такая неуязвимость, естественно, очень полезна для средства, применяемого в гонке вооружений.

Кто первый это применил — паразит или хозяин, — мы уже не узнаем, но из-за того, что геномы тогда, наверное, были маленькими, а для рибосомы с ее обслуживающей всей периферией нужно много информации, все-таки это, вероятно, было новшество хозяев, однако сделанное под давлением паразитов. И дальше такая гонка вооружений могла поддерживать включение каждой новой аминокислоты в аминокислотный набор вплоть до современных 20. Я бы смотрел в эту сторону.

Всё, что я сегодня говорил, довольно сильно расходится, например, с тем, что вы можете прочитать в книге Евгения Кунина «Логика случая». Там он, оценивая вероятность появления жизни, считает, что самым сложным и маловероятным шагом было случайное возникновение рибосомы. То есть он не берет для рибосомы путь смены функций, путь постепенной дарвиновской эволюции из более простых предшественников, а считает, что рибосома возникла случайной самосборкой более-менее сразу, более-менее в современном размере и сложности.

АrefievPV

Как в мире РНК появились белки
https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/437039/Kak_v_mire_RNK_poyavilis_belki
Интервью Бориса Штерна с Михаилом Никитиным
Цитировать— Здравствуйте! Сегодня у нас опять — надеюсь, не в последний раз — Михаил Никитин. Сегодня будем говорить о втором таком интересном этапе эволюции. В прошлых выпусках мы говорили с Евгением Куниным и с Александром Марковым о том, как появился первый репликатор — то есть современные воззрения на то, что такое жизнь, определение начала самой жизни — это появление репликатора, который участвует в дарвиновской эволюции, у которого есть наследственность, изменчивость и отбор . Все сходятся на том, что первым репликатором была молекула РНК, что всё началось с РНК-мира. Но вот если бы всё им и закончилось, то это ведь было бы неинтересно. Ну, хорошо, плавают где-то там в каком-то растворе — совершенном РНК-мире — совершенные молекулы РНК, которые великолепно умеют размножаться и отлично проходят отбор. Ну и что дальше? Это раствор. Жизнь-то стала двигаться дальше, когда она обросла белками и у нее появились инструменты и тело — это всё белки уже. Сегодня, скорее всего, четких ответов на то, как это произошло, нет, но хотя бы порассуждать на эту тему с Михаилом Никитиным мы попробуем.

— Здравствуйте, Борис. Спасибо, что позвали меня еще раз. Надеюсь, что не в последний. Но, конечно, после Евгения Кунина мне довольно сложно о чем-то с ним спорить, хотя поспорить местами хочется. И немножко уточню ваши слова. На самом деле, конечно, в науке о происхождении жизни нет полного консенсуса о том, что первый репликатор представлял из себя молекулу РНК. Есть гипотезы о ксенонуклеиновых кислотах — т. е. о каких-то других полимерах, способных к образованию двойной спирали, переносу генетической информации, и более стабильных, чем РНК. Есть гипотезы о протометаболических циклах, есть гипотезы (хотя очень слабо подтвержденные) о системах реплицирующихся пептидов. Теория мира РНК — наиболее принятая, но полной общепринятости теорий в науках, изучающих события прошлого, как вы можете знать на примере космологии, наверное, не бывает.

— Есть хотя бы и не полная, но «сильная» общепринятость по поводу теории космологической инфляции.

Да, есть сильная общепринятость, что теория мира РНК имеет много недостатков, но она лучшая из худших теорий о первом репликаторе. Действительно, от первого репликатора до всепланетной биосферы, хотя бы микробной, прошло очень много эволюционных шагов, и важнейшим из них было приобретение кодируемого белкового синтеза — способности создавать белки произвольной последовательности, закодированные в молекулах РНК и впоследствии ДНК. Система, которая занимается синтезом белка в живых клетках — это одна из самых сложных молекулярных машин, и при этом она самая универсальная. Рибосомы есть так или иначе во всех клетках.

Типичная рибосома состоит из трех (у бактерий) или четырех (в случае эукариот) молекул РНК и из нескольких десятков белковых молекул, которых может быть до 80. То есть это такая довольно большая и сложная молекулярная машина. Довольно трудно было бы представить, как такая машина может возникнуть путем дарвиновской эволюции пошагово, т. е. путем накопления последовательных мутаций: большинство из деталей рибосомы нельзя выкинуть, не поломав ее главную функциональность — кодируемый синтез белков. Но по мере накопления фактов, по мере изучения разнообразия рибосом, по мере изучения некоторых других биологических процессов стало понятно, что рибосома могла возникнуть эволюционным путем — путем смены функций, так же, как и другие сложные биологические системы.

Ну вот, например, крыло птиц — это сложная система, оптимизированная для полета, и упрощенные ее версии для полета не подходят. Но происхождение птичьего крыла для нас не представляет большой сложности, потому что мы знаем, что это переделанные передние конечности других наземных позвоночных — рептилий, до того амфибий, а до того рыб. И вообще, парные конечности позвоночных возникли как плавники каких-то древних рыбообразных существ, которые потом много раз меняли функции. Вот и с рибосомой, и с отдельными ее компонентами и вспомогательными системами, работающими вокруг, тоже накоплено достаточно свидетельств того, что их эволюция происходила через смену функций.

Значит, во-первых, рибосома состоит из двух химических компонент: из РНК нуклеиновой кислоты и из рибосомных белков. Что делает рибосома, если разбираться конкретно? Основная химическая реакция, которую катализирует рибосома, — это пептидилтрансферазная реакция, т. е. перенос пептидной цепочки растущего белка на молекулу следующей аминокислоты. При этом происходит удлинение цепочки на одну аминокислоту. Эта реакция происходит в пептидилтрансферазном центре рибосомы, и из изучения структуры рибосом видно, что никаких рибосомных белков в пептидилтрансферазном центре нет. Он образован только рибосомной РНК, и механизм катализа в нем обеспечивается только РНК. То есть рибосома — это самый главный, самый важный рибозим, присутствующий в любой живой клетке. Это указывает на принципиальную возможность работы рибосомы в какой-то древней, примитивной, вообще без белков среде. Так что парадокс курицы и яйца у нас на этом месте не возникает: для синтеза первых белков не обязательно уже иметь готовые белки. Голая РНК с этим может справиться.

Если посмотреть на рибосомную РНК как на такой трехмерный пазл (см. рис.), то цепочка РНК складывается в клубок, представляющий из себя основу субъединицы рибосомы за счет нескольких типов взаимодействий. Во-первых, за счет уотсон-криковских пар между азотистыми основаниями, приводящих к образованию коротеньких двуспиральных участков-шпилек. Это двуспиральные фрагменты одной нити, сложенной пополам, т. е. с одной стороны эта двойная спираль заканчивается петлей. Следующий механизм — это солевые мостики, разные положительно заряженные ионы в разных местах рибосомы. Это могут быть как неорганические ионы (магний, калий и цинк), так и простые органические полиамины, а также сложные положительно заряженные ионы, т. е. молекулы рибосомных белков. Рибосомные белки как раз положительно заряжены — в отличие от типичных белков — большинства белков клетки. Это позволяет им компенсировать отрицательный заряд рибосомной РНК. Вот эти вот положительно заряженные противоионы позволяют отрицательно заряженной РНК преодолеть электростатическое отталкивание разных частей молекул друг от друга и свернуться компактно.

Дальше есть более тонкие и сложные взаимодействия, помогающие ей свернуться, например так называемые а-минорные контакты. Это водородные связи, которые образуются между аминогруппами аденинов одного участка РНК и гидроксильными группами рибозы другого участка РНК. При этом тот участок, который дает рибозу для этой связи, — двуспиральный, а тот участок, который дает аденины, — односпиральный. Сравнение рибосом близких видов бактерий и опыты по искусственному мутагенезу (по внесению ошибок в последовательности рибосомной РНК показывают: если этот а-минорный контакт нарушить, сломать, например заменив аденин на другое азотистое основание, то от этого страдает укладка адениновой стороны контакта, а укладка двуспиральной стороны контакта не страдает.

То есть это такой несимметричный контакт, который важен для стабильности одной своей стороны, но не важен для другой, для двуспиральной. Поэтому а-минорные контакты позволяют нам наложить на структуру рибосомы ось времени — оценить сравнительный возраст разных ее частей — какие части рибосомной РНК возникли раньше, какие позже: из-за такой несимметричности а-минорных контактов их двуспиральные стороны, скорее всего, старше, чем адениновые. И такой анализ показывает, что, действительно, самая древняя часть рибосомы — это пептидилтрансферазный центр, т. е. именно та часть рибосомы, которая удлиняет белковую цепочку. Пептидилтрансферазный центр находится на большой субъединице рибосомы. В большой субъединице рибосомы есть две или три молекулы РНК, в малой субъединице рибосомы есть одна молекула РНК.

Так вот, что важно? Важно то, что с генетическим кодом, с матричной РНК работает малая субъединица рибосомы и декодирующий центр рибосомы, который всем этим занимается: он находится пространственно далеко (на расстоянии порядка 10 нм) от пептидилтрансферазного центра. Прямого контакта между ними нет. Транспортные РНК (такие маленькие РНК-носители, которые приносят новую аминокислоты в рибосому) одним концом входят в пептидилтрансферазный центр, другим — в декодирующий. И это единственное, что связывает пептидилтрансферазный центр с декодирующим в процессе работы рибосомы. И если смотреть по а-минорным контактам, то те участки большой субъединицы рибосомы, которые контактируют с малой, моложе, чем пептидилтрансферазный центр. Если также смотреть направленные а-минорные контакты в малой субъединице рибосомы, то там тоже декодирующий центр — это самая древняя часть, а участки контакта с большой субъединицей моложе.

И по этим данным получается, что пептидилтрансферазный центр и декодирующий центр имели какую-то свою независимую историю до того, как собрались вместе, образовав рибосому. И давайте подумаем, что они могут делать по отдельности. Современную функцию рибосомы — кодируемый синтез белков — они по отдельности выполнять, конечно, не могут. Пептидилтрансферазный центр может соединять аминокислоты в цепочку, но инструментов для контроля их последовательности в цепочке у него нет. Поэтому если ему подавать все 20 аминокислот, входящих в состав современных белков, то на выходе будет получаться какая-то случайная белковая последовательность, которая вряд ли будет функциональной, и, что еще важнее, даже если она будет полезна клетке, если этот белок будет делать что-то нужное, то его не получится повторить вновь: вероятность его повторного получения будет ничтожно малой. Так, кодируемый синтез белков тут невозможен. Что же тогда полезного может сделать пептидилтрансферазный центр, который не может заниматься кодируемым белковым синтезом?

Что в простейшем случае он может сделать такого полезного и воспроизводимого? Самое простое — это гомополимерные пептиды, т. е. пептиды, состоящие из одной аминокислоты, повторенной много раз, например полиаланин или полиглицин. Но полезных функций у таких пептидов мне, к сожалению, не удалось найти по всей научной литературе. Еще такая система может производить стохастические пептиды из смеси двух-трех аминокислот. За счет уменьшения аминокислотного алфавита с 20 до двух или трех мы получаем воспроизводимость пептидов. Могут ли такие пептиды быть полезными? Могут. Про это расскажу чуть позже. И третий вариант более сложный — это пептидилтрансферазный центр, который, в принципе, мог бы с некоторыми дополнительными, несложными механизмами делать периодические пептиды — те пептиды, в которых аминокислоты чередуются каким-то регулярным образом, например АБАБАБ. Это простые пептиды, воспроизводимые пептиды, и для них есть потенциал, что они могут делать полезного.

Теперь вопрос: что полезного могут делать для развивающегося РНК-мира простые пептиды, будь они периодическими или случайными? Все белки, взаимодействующие с РНК (а в мире РНК первые белки, несомненно, должны были с ней взаимодействовать), несут положительный электрический заряд, компенсирующий отрицательный заряд РНК. Это позволяет им электростатически притягиваться. Таковы все рибосомные белки, таковы многие другие белки, взаимодействующие с РНК. И в экспериментах показано, что активность и стабильность практически любых рибозимов очень сильно повышается, если им добавить такие положительно заряженные белки. Более того, не обязательно даже добавлять белки. Работают даже гомополимерные пептиды, например пептид, состоящий из десяти остатков аминокислоты лизина — одной из двух аминокислот с положительным зарядом. Он повышает активность многих рибозимов в десятки и сотни раз. Или пептид, в котором остатки лизина случайным образом перемешаны с остатками глицина. Незаряженные аминокислоты тоже так работают.

Довольно близки к этому такие пептиды, как TAT-пептид вируса иммунодефицита человека. Это фрагмент одного из белков ВИЧ, который принимает участие в процессинге РНК этого вируса. Если этот короткий 9-аминокислотный пептид химически синтезировать отдельно от вируса, он тоже помогает стабилизации самых разных рибозимов в пробирке. Он тоже положительно заряжен. То есть если у нас есть положительно заряженные аминокислоты, то с их помощью любой пептид, будь то с правильным чередованием, будь то случайный, может быть полезен миру РНК. И вот это уже выглядит как хорошая такая функция для проторибосомы, для отдельного пептидилтрансферазного центра. Были эксперименты, когда рибосомную РНК большой субъединицы (а она длинная, более 3 тыс. нуклеотидов) пытались сильно укоротить и посмотреть, сохранится ли пептидилтрансферазная активность. Оказалось, что ее можно сократить почти в шесть раз, примерно до 600 нуклеотидов, и пептидилтрансферазная активность сохраняется.

Более того, есть еще более короткие варианты, вплоть до 150 нуклеотидов, которые частично сохраняют слабую пептидилтрансферазную активность, если им давать аминокислоты на носителе — на транспортной РНК. То есть проторибосома могла быть во много раз проще современной рибосомы.

Она могла быть не просто безбелковой: еще ее РНК могла быть гораздо короче в пределах длины известных экспериментально полученных рибозимов, каталитических РНК. Если у нас есть положительно заряженные аминокислоты, то, чередуя их с каким-нибудь простым глицином и аланином, мы можем сделать пептиды, весьма полезные для самых разных рибозимов.

Не сохранилось ли что-то подобное в клетке сейчас? Если посмотреть на структуру рибосомных белков, то несколько из них — это белки большой субъединицы L2, L3, L4 и L22, которые глубже всего входят в большую субъединицу. У них есть довольно длинные участки почти такой же структуры. В них нет ни альфа-спиралей, ни бета-слоев, характерных для типичных белков, которые сворачиваются в компактный клубок. Это не клубки, а такие ленты, вставленные в узкие щели в клубке РНК, несущие большой положительный заряд. Они богаты положительно заряженными аминокислотами, лизином и аргинином, и почти на две трети состоят из этих двух заряженных аминокислот, чередуемых с самыми простыми аминокислотами — с глицином, аланином и пролином. Таким образом, их аминокислотный состав очень сильно перекошен по сравнению со средними клеточными белками.

Тут есть некоторая сложность, связанная с химией лизина и аргинина. Эти две современные положительно заряженные аминокислоты, во-первых, довольно сложные: у них длинные и сложные пути биосинтеза (у аргинина восемь стадий, а у лизина — девять), и они не обнаруживаются в разных опытах по абиогенному синтезу аминокислот, начиная с опыта Миллера (см. врезку). Но и в опыте Миллера, и в метеоритной органике встречаются более короткие и простые положительно заряженные аминокислоты, такие как орнитин, диаминомасляная и диаминопропионовая. Более того, эти короткие положительно заряженные аминокислоты есть даже в живых клетках. Орнитин есть у всех организмов как предшественник аргинина в биосинтезе; диаминопропионовая и диаминомасляная бывают у микробов в составе некоторых пептидных антибиотиков.

Получается, жизнь имела возможность попробовать эти коротенькие положительно заряженные аминокислоты в составе белков, но почему-то их там не выбрала. Моя гипотеза здесь состоит в том, что на самом деле они входили в состав древних белков, но были вытеснены впоследствии более длинными и сложными лизином и аргинином, потому что вот эти короткие положительно заряженные аминокислоты не вписываются в альфа-спиральную укладку белка. То есть альфа-спираль ломается при попытке встроить в нее эти коротенькие положительно заряженные аминокислоты. Их положительный заряд нарушает водородные связи, скрепляющие альфа-спираль. При этом с бето-слоевыми структурами они совместимы. И, конечно, они полностью совместимы с неструктурированными белками, такими, как вот эти глубокие рибосомные белки. И синтетические пептиды с этими аминокислотами прекрасно помогают рибозимам ничуть не хуже, чем с лизином и аргинином.

Тут я предполагаю, что было вымирание некоторых аминокислот в белковом алфавите и замена их другими, более сложными, — лизином и аргинином. Эти древние положительно заряженные пептиды могли быть первым продуктом проторибосомы, который поддерживался естественным отбором.

— А теперь давайте я попробую изложить то, что понял, а вы меня проконтролируете. Зачем понадобились коротенькие положительно заряженные аминокислоты? Для компенсации: РНК стала продуцировать коротенькие пептиды ради того, чтобы скомпенсировать свой отрицательный заряд. И таким образом у них появилась как бы большая степень свободы. Правильно я понял вот это самое начало?

— Появилась возможность компактно сворачивать более крупные, более сложные молекулы РНК.

— Хорошо. Дальше вот эти самые первые пептиды оказались неудобными, потому что они как бы не вписывались в какие-то более сложные структуры белков, и поэтому эволюционно они в конце концов заменились на другие, может быть, менее заряженные, но, так скажем, более удобные. Правильно ли я это понял?

— Электрический заряд там и там единичный, одна аминогруппа — и у лизина, и у аргинина, и у их древних аналогов, просто у лизина и аргинина она вынесена дальше от остова пептидной цепи, на более длинной боковой веточке. Она отодвинута подальше.

— Спасибо, немножко вернулись, и чего-то вроде начало доходить. Теперь давайте дальше.

— Ну, главная идея — про то, что некодируемый синтез пептидов мог быть функцией проторибосомы без малой субъединицы. Проторибосома могла из какого-то очень простого аминокислотного набора, в две-три, может быть, даже в одну аминокислоту, собирать либо периодические, либо случайные пептиды, которые были поддержаны естественным отбором, потому что они были положительно заряжены, и это помогало рибозимам. Это их стабилизировало и активировало.

Как теперь от этого перейти к кодируемому белковому синтезу? Для этого надо, во-первых, чтобы появилась малая субъединица рибосомы и правильно соединилась с большой, а для этого нужны адаптеры, т. е. молекулы транспортных РНК, которые являются такими главными молекулярными мостами между последовательностью нуклеиновой кислоты и последовательностью белка. Рибосому можно обмануть, если подсунуть ей аминокислоту на не своей, не соответствующей ей транспортной РНК. Рибосома тогда сделает неправильный белок; у нее нет никаких средств эту ошибку заметить и тем более исправить. А вот у транспортной РНК-адаптера, с одной стороны, есть так называемая антикодоновая петля, в которой есть антикодон, три нуклеотида, комплементарные трем нуклеотидам в матричной РНК, кодирующим ту самую аминокислоту (см. схему вторичной структуры тРНК). И, с другой стороны, у нее есть акцепторный стебель, на который присоединяется аминокислота. В современном мире правильное соединение аминокислот — это работа семейства из 20 ферментов аминоацил-ТРНК-синтаз. Их 20 — по одному на каждую аминокислоту — каждый опознает соответствующие этой аминокислоте транспортные РНК. (Транспортных РНК на самом деле больше 20, их порядка 40 или 50 у разных организмов, потому что кодонов в генетическом коде всего 64, из них 61 кодируют те или иные аминокислоты.) Поэтому для опознания всех кодонов нужно больше 20 вариантов антикодонов. Точность, соответствие аминокислоты и транспортной РНК, проверяет только аминоацил-ТРНК-синтаза.

Откуда вообще возьмется соответствие между 20 типами транспортных РНК с 20 или более типами антикодонов и 20 аминокислотами? Для работы пептидилтрансферазного центра даже в контексте некодированного белкового синтеза аминокислоты должны быть несвободными, они должны быть прикреплены к какому-то РНК-носителю, аналогично транспортной РНК. Полноценная транспортная РНК — молекула в виде трилистника из трех шпилек и двуспирального участка, заканчивающегося акцепторным стеблем без петли, — для этого не обязательна. Можно сократить транспортную РНК до одной шпильки, до одного двуспирального участка. Если у нее акцепторный стебель всё еще такой же, как у транспортной РНК, то пептидилтрансферазный центр может ее принять и может использовать для сборки пептида. То есть у транспортных РНК могли быть более короткие и более простые предшественники.

Вот тут есть очень сложное место, которое я не уверен, что смогу кратко и понятно объяснить. На тему возможного соответствия аминокислот и их кодонов за десятки лет — с момента открытия генетического кода — сломано было очень много копий, и очень много крупных ученых приложило к этому руку. И количество противоречивых гипотез там просто чудовищно. Значит, самое простое, что напрашивается: есть какое-то соответствие по форме молекулы между аминокислотой и ее кодоном.

Эта гипотеза имеет несколько недостатков. Во-первых, кодон — больше, чем аминокислота. Кодон — это три нуклеотида, это по длине цепочки в шесть раз больше, чем одно аминокислотное звено в белке. Хотя, конечно, никто не может запретить взаимодействие аминокислот с кодонами, но если у нас есть две аминокислоты, взаимодействующие с двумя соседними кодонами, то они будут слишком далеко, чтобы их можно было связать.

Во-вторых, когда пытались экспериментально это проверить, делая РНК, отобранные на связывании различных аминокислот (так называемые РНК-аптамеры), были получены РНК-аптамеры, которые хорошо связывают аминокислоты с крупными и сложными молекулами (такие, как аргинин, лейцин или фенилаланин), но не получилось хороших аптамеров для самых простых аминокислот, таких как глицин и аланин. А на заре пептидного синтеза, несомненно, глицин и аланин были среди самых древних. Вот этот аптамерный механизм прямого взаимодействия аминокислоты с кодоном явно, если и поучаствовал, то не с самого начала развития генетического кода и не для всех аминокислот. Возможно, он даже и практически не сыграл роли.

Что мне здесь нравится больше? Посмотрим на то, как аминоацил-тРНК-синтетазы узнают транспортные РНК. Рибосома узнает транспортные РНК по их антикодоновой петле. Но аминоацил-тРНК-синтазы антикодоновую петлю, как правило, не проверяют. Большинство аминоацил-тРНК-синтаз, в том числе все аминоацил-тРНК-синтазы для древних и простых аминокислот, включая глицин, аланин, пролин и аспартат, проверяют только акцепторный стебель — только ту часть молекулы транспортной РНК, к которой они будут присоединять аминокислоту. Что тут можно заметить? Разные транспортные РНК они узнают по последовательности нуклеотидов акцепторного стебля, и в первую очередь по трем первым парам нуклеотидов этого акцепторного стебля. Эти три первые пары нуклеотидов называются рабочим кодом — operational code в англоязычной литературе.

И вот тут есть забавное совпадение, что именно для древних аминокислот — для глицина, аланина, аспартата, валина и пролина — рабочий код совпадает с одним из кодонов для этой аминокислоты. Для других аминокислот не совпадает, а для древних и простых совпадает. Случайно ли это? Мне кажется, что нет. Более того, если посмотреть на структуру современных транспортных РНК, в них видны некоторые тенденции к внутренним повторам: транспортную РНК можно собрать путем дупликации двух одинаковых более коротких шпилек. И при такой сборке путем дупликации антикодоновая петля возникает именно как копия рабочего кода. То есть если происходила внутренняя дупликация прототранспортных РНК, то первые антикодоновые петли были копиями первых рабочих кодов. И рабочий код для глицина, аланина, пролина и еще там пары аминокислот до сих пор это отражает, совпадая с их кодонами и не совпадая в случае других более поздних аминокислот. Таким образом, если в какой-то момент произошла дупликация в РНК-носителях аминокислот, предшественников транспортных РНК, наделившая их антикодоновыми петлями — копиями рабочего кода, — то эти антикодоновые петли могли образовывать комплементарное взаимодействие с каким-нибудь торчащим концом рибосомной РНК, древней проторибосомы и за счет этого обеспечивать какое-то более сложное или более воспроизводимое чередование аминокислот. Но для этой проторибосомы последовательность ее белкового продукта была жестко в ней самой зафиксирована, в последовательности ее собственной рибосомной РНК, — это некоторый шаг к коду, но это еще не код. Кодом он стал, когда появилась отдельная сменная матричная РНК, взаимодействующая с антикодоновыми петлями, и малая субъединица, которая это взаимодействие организует.

Откуда могла появиться малая субъединица? Она, строго говоря, не катализирует никаких химических реакций, но что происходит в ее декодирующем центре? Там происходит взаимодействие антикодоновой петли транспортной РНК и кодонов матричной РНК — три нуклеотида с одной стороны, три нуклеотида с другой стороны. Она контролирует, чтобы там было точное комплементарное совпадение на каждом шаге белкового синтеза. А между шагами малая субъединица обеспечивает продвижение всей системы на три нуклеотида вдоль матричной РНК, переходя на следующий кодон, выбрасывая использованную транспортную РНК и предоставляя место для входа следующей транспортной РНК, несущей следующую аминокислоту. Какие другие, не связанные с белковым синтезом процессы, это напоминает? Взаимодействие двух цепочек РНК и проверку их комплементарности. Это близко к тому, что происходит в системе копирования РНК, например в зависимых РНК-полимеразах. Не исключено, что малая субъединица РНК — это потомок того самого рибозима, который мечтали воскресить все ученые, занимавшиеся искусственным отбором рибозимов. Рибозима — РНК-зависимой РНК-полимеразы. Только, судя по тому, что он двигается шагами по три, он присоединял нуклеотиды к растущей цепочке не по одному, как белковые РНК-полимеразы, а сразу триплетами, тройками — рибозим трипликаза. Насколько мне известно, первым эту гипотезу предложили у нас в 1980-е годы на кафедре вирусологии, но тогда ей не было уделено внимания, она была опубликована только на русском языке в не самом известном журнале и была бы потеряна, если бы Евгений Кунин, учившийся на той же кафедре, не запомнил это и не упомянул впоследствии в своих работах, уже будучи знаменитым ученым с гигантским списком публикаций.

Вполне возможно, что малая субъединица рибосомы — это потомок того самого главного рибозима, который копировал все остальные рибозимы в мире РНК до появления белков. У нее была своя интересная трудовая биография до вхождения в состав рибосомы — ничуть не проще, чем у пептидилтрансферазного центра, делавшего случайные или периодические пептиды. На этом месте можно уже говорить о переходе от проторибосомы к рибосоме и о появлении генетического кода и синтеза произвольных белков, но, конечно, в рамках доступного аминокислотного алфавита. Скорее всего, на этом этапе аминокислотный алфавит был гораздо меньше современного.

Какие аминокислоты туда могли входить? Туда заведомо могли входить самые простенькие — глицин, аланин, пролин, что-то положительно заряженное, ну и, наверное, еще аспартат и валин, для которых тоже есть совпадение рабочего кода с антикодоновой петлей. В минимальном варианте кодируемый синтез белков мог начаться всего с шести аминокислот. На самом деле, это не так уж мало. В этом наборе есть вымершая аминокислота с положительным зарядом, аминокислота с отрицательным зарядом (аспартат), аминокислота гидрофобная (валин), аминокислота без особых примет (аланин), аминокислота гибкая (глицин). По глицинам белковая цепочка гнется гораздо лучше, чем по другим аминокислотам. И есть аминокислота жесткая (пролин), которая, наоборот, образует неразгибаемые повороты. Получается, для трехмерной укладки белков вся принципиально важная функциональность на этом этапе уже есть. Из такого набора уже можно построить белки, способные свернуться в клубок самостоятельно, а не помогать сворачиванию РНК. Среди них уже могут быть какие-то ферменты, какие-то белки с каталитической активностью, в первую очередь за счет того, что остатки аспартата (аспарагиновой кислоты) будут связывать разные катионы металлов — магний, калий, кальций, цинк и т. п.

Дальше, скорее всего, расширение аминокислотного алфавита шло по нескольким линиям. Во-первых, туда добавлялись другие аминокислоты, важные для ферментативного катализа, — гистидин, серин и цистеин. Гистидин с имидазольной группой — это кислотно-основной катализ. Цистеин — серосодержащая аминокислота, т. е. связывание железа, меди, цинка и окислительно-восстановительной реакции через дисульфидные мостики. Серин — это аминокислота с спиртовой группой, тоже для кислотно-основного катализа. Дальше добавлялись ароматические аминокислоты — фенилаланин, тирозин, триптофан. Во-первых, они объемные, а во-вторых, фенилаланин — самая объемная из гидрофобных, обеспечивающая образование плотного стабильного гидрофобного ядра у белкового клубка, у белковой глобулы. Они же за счет стэкинг-взаимодействия позволяют лучше связываться белкам с нуклеиновыми кислотами и нуклеотидами. Кроме того, триптофан поглощает ближний ультрафиолет, и в некоторых ферментах он участвует в фотокатализе, например в фотолиазе, чинящим повреждения в ДНК. Какие аминокислоты нам еще необходимы до современного 20-аминокислотного набора? Во-первых, более длинные, положительно заряженные — лизин и аргинин; длинные, отрицательно заряженные — глутамат; длинные гидрофобные — лейцин и изолейцин. Всё это лучше вписывается в альфа-спиральные белковые укладки, чем древние аминокислоты (см. схему трехмерной укладки белков).

Если смотреть по рибосомным белкам, то самые древние из них имеют бета-слоевую укладку, а молодые, находящиеся на поверхности рибосомы, включают в себя всё больше и больше альфа-спиралей. То есть альфа-спиральная укладка, вероятно, эволюционно моложе, чем бета-слои. Чем она принципиально лучше бета-слоев? Сложно придумать, конечно, такое универсальное преимущество, но, мне кажется, таким могла быть устойчивость к кристаллизации. Бета-слоевая укладка довольно сильно упорядочена, и белки с бета-слоевой укладкой гораздо легче кристаллизуются. В том числе это может вызывать проблемы, например при кристаллизации бета-слоевого амилоидного белка при нейродегенеративных заболеваниях. Когда у вас 50 белков, то вероятность того, что какой-то из них будет выпадать в осадок, в кристаллы, не очень велика, а когда у вас тысяча белков, эта вероятность уже становится заметной. И альфа-спиральные укладки в этом плане безопаснее. Поэтому эволюция, конечно, благоприятствовала им, как благоприятствовала и введению в аминокислотный алфавит новых аминокислот, которые нужны для стабильности альфа-спирали, — глутамат, лизин, аргинин, лейцин, изолейцин.

И есть две аминокислоты, которые, с одной стороны, химически не очень сложные, а с другой, скорее всего, стали последними в генетическом алфавите. Это амиды — аспарагин и глутамин, производные аспартата и глутамата. Они полярные, имеют амидную группу, не имеют электрического заряда. Почему они, скорее всего, последние в аминокислотном алфавите? Потому что не очень устойчивы к высоким температурам. У гипертермофильных микробов в белках почти нет этих аминокислот, потому что при высоких температурах они могут спонтанно дезаминироваться и превращаться в своих кислых предшественников — аспартат и глутамат — с появлением электрического заряда. А появление электрического заряда в белковой молекуле, там, где его раньше не было, — это отличный способ поломать белковую укладку, но также и обратное — убрать электрический заряд там, где он был. Серповидно-клеточная анемия — пример такого заболевания. При этой мутации аспарагиновая кислота, заряженная, в гемоглобине меняется на валин в одном месте — и всё, и такой гемоглобин начинает кристаллизоваться и хуже переносить кислород. Вот эти нетермостойкие аминокислоты — аспарагин и глутамин — скорее всего, последние в аминокислотном наборе, потому что есть основания считать, что жизнь делала первые шаги в горячих источниках того или иного типа при достаточно высоких температурах. На ту глубину в прошлое, на которую мы можем заглянуть сравнительной геномикой, общий предок бактерий и архей — LUCA (Last Universal Common Ancestor), возрожденные его белки (когда последовательность этого белка восстанавливают методами максимального правдоподобия по белкам его потомков, потом эту возрожденную последовательность воспроизводят химически, в плазмиде, в кишечной палочке, изучают наработанный таким образом воскрешенный белок); оказалось, что ферменты LUCA имеют максимум активности при температурах примерно 60 или 70 °C. То есть LUCA жил там, где было весьма-весьма тепло. Он был термофилом, хотя и не гипертермофилом — жил все-таки не в кипятке. Но при температурах 60–70 °C аспарагин и глутамин уже могут вызвать проблемы.

Я более-менее рассказал, хотя и очень кратко, как мог возникнуть белковый синтез. Думаю, что у вас накопились вопросы, на которые я попробую ответить, а потом я бы еще сказал немножко про место этого моего рассказа в том, что вам могут рассказать другие спикеры и что можно прочитать в научной и научно-популярной литературе.

АrefievPV

Продолжение.
Цитировать— Вы рассказали, как это всё и в какой последовательности формировалось. Я спрашиваю: зачем? Здесь нужна была какая-то очень сильная мотивировка для того, чтобы такая сложная цепочка прошла отбор, чтобы она была очень полезной... Понятно, в чем заключалась польза первых заряженных пептидов — сворачивание РНК и его большая свобода форм. А вот дальнейшие усложнения: белки, сложные белки... Что они дали?

— Смотрите, тут, конечно, однозначного ответа ни у меня, ни у кого нет, но, по-моему, не будет большой натяжкой считать, что естественный отбор мог поддерживать и достаточно маленькие шаги на этом пути, например, для работы рибозимы РНК-полимеразы. Те рибозимы с такой функцией, которую пытались получить, работают довольно плохо и медленно, сильно уступая белковым РНК-полимеразам. И тут на самом деле есть фундаментальное ограничение (даже два), почему они так делают.

Во-первых, та химическая реакция, которая нужна для создания новой связи между нуклеотидами, — это развернутая в обратную сторону реакция гидролиза, реакция разрушения РНК. И если в активном центре находится катализатор этой реакции в сторону синтеза новых цепочек РНК, значит, он же (ведь катализаторы не сдвигают химическое равновесие, а только ускоряют его достижение) будет катализировать и распад РНК. А какая РНК всегда рядом с активным центром? Сам рибозим. То есть слишком хороший рибозим-РНК-полимераза, скорее всего, будет опасен для самого себя. Обратите внимание, что синтез белков происходит под контролем рибозима, даже сейчас. Пептидилтрансферазный центр — это рибозим. И аналогично можно предположить, что синтез РНК довольно рано происходил под контролем белков, потому что реакция вот этого образования связи или гидролиза связи между нуклеотидами безопасна для белкового остова. Для разрушения белков нужны другие катализаторы.

Второе соображение. Почему рибозимы РНК-полимеразы работают плохо и медленно? Потому что и РНК-матрица, с которой они работают, и сам рибозим представляют собой цепочки РНК. Если в РНК-матрице будут участки, комплементарные участкам рибозима, то они просто образуют с ними коротенький двуспиральный участок и прилипнут, заклинив. Можно ли этого избежать? До конца нет, потому что для мира РНК вот этот рибозим РНК-полимераза должен копировать в том числе сам себя. А когда он будет копировать сам себя, то неизбежно возникнут участки, комплементарные самому себе. А белок не образует таких комплементарных взаимодействий с РНК и от подобных недостатков может быть свободен.

Если посмотреть в активный центр белковых РНК-полимераз, там можно увидеть, как правило, три остатка аспартата, между которыми держатся два иона магния, которые и проводят, собственно, химическую реакцию. И три остатка аспартата часто находятся на одном кусочке пептидной цепочки, в последовательности чего-то типа аспартат-глицин-аспартат-валин-аспартат. И вот такое можно синтезировать тоже без генетического кода, используя механизмы синтеза периодических пептидов силами проторибосомы без малой субъединицы. Вот такие периодические пептиды с аспартатом для активного центра рибозима и РНК-полимеразы могли быть следующим полезным продуктом проторибосом.

Ну и когда уже пошло появление белков, способных свернуться самостоятельно, каждый шаг на этом пути мог быть поддержан сразу по нескольким причинам. Во-первых, белки, в принципе, химически более стабильны, чем РНК, особенно в щелочной среде, в присутствии солей железа и т. п. Переживание каких-то химически неблагоприятных условий для мира РНК плюс белков более просто, чем для мира РНК. Во-вторых, белки с их химическим разнообразием могли быть включены в какие-то начальные стадии гонки вооружений. Гонка вооружений — это известный эволюционный механизм, который может обеспечивать очень быстрые изменения. Все современные организмы находятся в состоянии гонки вооружений по направлению паразит — хозяин. На всех клеточных формах жизни паразитируют те или иные вирусы. И поэтому всё время среди клеток есть отбор на устойчивость к вирусам, а среди вирусов есть отбор на способность к заражению клеток хозяев. И этот отбор не прекращается никогда. Все четыре с лишним миллиарда лет, что жизнь на Земле существует, этот отбор шел и производил множество эволюционных новшеств.

И в мире РНК, скорее всего, с самых ранних этапов был в том или ином виде паразитизм. Какие-то первые паразиты могли быть похожи на современные вироиды — паразиты РНК-вирусов. Белки, распознающие такие вироиды или кодируемые самими вироидами, могли быть оружием в этой гонке вооружений. Преимущество белков тут в том, что их нельзя разрушить теми рибозимами, которые разрушают другие РНК. Белки неуязвимы к нуклеазам. Такая неуязвимость, естественно, очень полезна для средства, применяемого в гонке вооружений.

Кто первый это применил — паразит или хозяин, — мы уже не узнаем, но из-за того, что геномы тогда, наверное, были маленькими, а для рибосомы с ее обслуживающей всей периферией нужно много информации, все-таки это, вероятно, было новшество хозяев, однако сделанное под давлением паразитов. И дальше такая гонка вооружений могла поддерживать включение каждой новой аминокислоты в аминокислотный набор вплоть до современных 20. Я бы смотрел в эту сторону.

Всё, что я сегодня говорил, довольно сильно расходится, например, с тем, что вы можете прочитать в книге Евгения Кунина «Логика случая». Там он, оценивая вероятность появления жизни, считает, что самым сложным и маловероятным шагом было случайное возникновение рибосомы. То есть он не берет для рибосомы путь смены функций, путь постепенной дарвиновской эволюции из более простых предшественников, а считает, что рибосома возникла случайной самосборкой более-менее сразу, более-менее в современном размере и сложности.

— Он смягчил свой подход. В предыдущем интервью в «Троицком варианте» он уже гораздо мягче высказался...

— То есть там это у Евгения было одним из аргументов в пользу того, что наша жизнь единственная в обозримой Вселенной. Потому что вероятность ее возникновения получалась примерно сравнимой с количеством звезд в видимых галактиках. Но раз он смягчил с тех пор свой подход — ну что ж, хорошо, что я теперь не так сильно ему противоречу. Но мне как эволюционному биологу (а по первому образованию вообще зоологу) случайная самосборка таких довольно сложных структур, конечно, интуитивно не нравится, хочется поискать какой-то эволюционный путь. И для очень многих сложных структур эволюционные биологи такие пути на самом деле нашли — начиная с развития глаза, которое припоминали еще Дарвину, до каких-то сложных молекулярных машин.

— Ну вот на этом давайте это сложное, на самом деле, интервью завершим. Оно, безусловно, будет не последнее, значит, это всё надо будет развивать и проговаривать немножко под другим углом зрения. На этом, Михаил, огромное спасибо за очередное интервью — и спасибо слушателям.

— До свидания!