Автор Тема: Интересные новости и комментарии  (Прочитано 603629 раз)

0 Пользователей и 2 Гостей просматривают эту тему.

Оффлайн АrefievPV

  • Участник форума
  • Сообщений: 821
Re: Интересные новости и комментарии
« Ответ #2325 : Декабрь 09, 2021, 20:48:28 »
Нейронауки в Science и Nature. Выпуск 217: технологии стирания памяти, часть 1. Что такое CALI?
http://neuronovosti.ru/natsci217-1-cali/
Цитировать
В ноябрьском выпуске журнала Science вышла статья ученых из Японии. Статья настолько насыщенная, что для того, чтобы пересказать ее содержание, понадобилось разделить ее на две самостоятельные новости. В первой части мы расскажем  о том, как ученые применили технологию под названием CALI (Chromophore-assisted light inactivation) для стирания эпизодической памяти. Объясним, как эта технология работает на уровне нейронов.

Немного теории — цитология

Если бы существовала технология, которая способна разрушить наши негативные воспоминания! Стереть их из мозга или хотя бы временно затормозить их влияние на наше повседневное поведение. Представьте, насколько проще было бы жить?

На самом деле такие технологии уже существуют. Некоторые из них уменьшают активность помеченных синаптических окончаний, участвующих в формировании воспоминаний (AS-PARac), другие светом воздействуют на активность пост-синаптических AMPA рецепторов, третьи оказывают влияние на гидролиз гуанозинтрифосфатов (GTP). Ученые из Японии предложили еще один метод, который позволяет разъединять белковые комплексы, ответственные за структурные изменения в синапсах (именуемые долговременной потенциацией).

CALI — хромофорная инактивация светом. Эта технология отличается высокой пространственной точностью и быстродействием. В основе этого метода лежит интенсивное освещение конкретных молекул, из-за чего те начинают выделять избыточное количество короткоживущих активных форм кислорода, «отключающих» близлежащие белковые комплексы.



В качестве цели, на которую воздействовал свет, ученые выбрали гибридный белок CFL-SN. Как на картинке выше, такой гибридный белок — это сочетание несколько белков, которые в совокупности способны воспринимать свет. Первая часть этого комплекса, называется кофилин (если быть точнее, кофилин-1). Это белок, который связывает уже известный нам актин — элемент цитоскелета нейрона. Если вы еще не знакомы с теорией Гульта о значении актина в формировании памяти, рекомендуем прочитать эту статью.

Актин в большом количестве находится в отростках дендритов — шипиках (spine). Шипики являются чем-то вроде дополнительных USB-портов для нейрона, в которые входит информация. Как правило, чем больше таких отростков, тем более активен нейрон, тем больше синаптических окончаний он имеет.

В тот момент, когда синапс “записывает” некоторое событие, актин, находящийся в дендритных шипиках, полимеризуется: его структура изменяется. Такому изменению способствует кофилин. В зависимости от своего строения (а конкретнее: от плотности филаментов внутри кофилина), он может либо тормозить полимеризацию актина, либо соединяться с ним и образовывать сложный белковый комплекс кофилактин, который позволят стабилизировать актин. Название “кофилактин” само по себе намекает на связь двух белков — КОФИЛина и АКТИНа.

Считается, что формирование кофилактина — это одна из стадий “записывания” памяти в синаптических окончаниях. Научно такой процесс записывания называется “долговременной потенциаций” и связан он с тем, что две клетки, между которыми образуется синапс, начинают интенсивнее общаться друг с другом через этот самый синапс. А для этого в синапсе протекают структурные изменения под влиянием перестройки актина.

Но вернемся к гибридному белку CFL-SN. С первой частью мы разобрались. CFL — это сокращение от кофилина. А вот вторая часть — это искусственный белок, который соединяется с кофилином: он называется SuperNova. Его вводят в мозг мыши и таким образом создают химическую структуру, которая может воспринимать свет, индуцируемый технологией CALI. Как только свет воспринят, в нейроне появляется активный кислород, который нарушает образование кофилактина и стабилизацию актина. Все это приводит к тому, что энграмма памяти не формируется.

Действительно ли технология CALI работает?

В первой серии экспериментов ученые хотели проверить, работает ли технология CALI так, как предполагает вышеописанная теория.

Для этого ученые добавили в нейроны мыши еще ряд элементов, необходимых для маркировки дендритных шипиков. Это позволяло отслеживать их изменения в течение времени.

После этого ученые обучали нейрональную структуру. Событием, которое запускало долговременную потенциацию, служило воздействие на белки нейрона двухфотонных лазерным микроскопом: по сути к нейрону направляли два пучка фотонов, которые одновременно “впитывались” и вызывали структурные изменения в шипиках.

Ученые обнаружили, что после такого воздействия в шипиках аккумулируется кофилин, после чего увеличивается объем самого шипика. Но если через некоторое время шипик стимулировать с помощью технологии CALI, то долговременная потенциация прекращается.

При долговременной потенциации актин стабилизируется, из-за чего уменьшается его ток в дендритных шипиках. Ученые предположили, что это происходит как следствие увеличения количества кофилина, который вместе с актином образует кофилактин, как мы отмечали выше.

Чтобы проверить эту идею, ученые стимулировали с помощью CALI дендритные шипики, в которых происходила долговременная потенциация. С помощью дополнительного химического маркера (GFP — green fluorescent protein) они смогли обнаружить, что ток актина после стимуляции светом был восстановлен (на графике: CFL-GFP: CALI). А объем дендритного шипика возвращался к исходному уровню.



Помимо этого ученые обнаружили, что есть временные рамки, когда стимуляция с помощью CALI оказывает эффект. Вернуть объем дендритных шипиков удавалось при стимуляции через 10 и 30 минут после начала потенциации. Но если воздействовать через час или за минуту до потенциации — эффекта от CALI не будет.



Чтобы проверить точность технологии CALI, то есть ответить на вопрос, воздействует ли CALI только на нейроны, где есть комплекс CFL-SN, или же влияет на все нейроны одновременно, ученые воздействовали на клетки высокочастотным световым мерцанием, через 10 минут применяли CALI и замеряли постсинаптический потенциал.

Они выяснили, что в тех нейронах, в которых начиналась потенциация, после воздействия CALI постсинаптический потенциал снижался. В тех, где потенциации не возникало (то есть в нейронах, которые не участвовали в образовании следа памяти), изменений в потенциале не наблюдалось. Как видно из графика ниже, объем этих шипиков никак не изменялся при воздействии CALI.



Все это доказало, что технология CALI может успешно применяться для стирания следов памяти. Она имеет конкретные временные рамки, воздействует только на определенные нейроны (содержащие комплекс CFL-SN) и успешно обращает потенциацию, возвращая дендритный шипик к исходному размеру. Важно отметить, что при этом в будущем дендритный шипик сохранял способность к потенциации. То есть эффект от CALI не убивает возможность нейрона к обучению, а лишь стирает запись о текущем событии.

Во второй части статьи ученые применили технологию CALI чтобы понять, как формируется эпизодическая память у мышей. Об этом мы расскажем во второй части.

P.S. Ссылка на теорию Гульта:

Новая теория памяти – прорыв или утопия?
http://neuronovosti.ru/new_theory_of_memory/

Оффлайн АrefievPV

  • Участник форума
  • Сообщений: 821
Re: Интересные новости и комментарии
« Ответ #2326 : Декабрь 10, 2021, 08:20:35 »
К сообщению:
https://paleoforum.ru/index.php/topic,2220.msg257490.html#msg257490

Та же самая новость в подаче другого ресурса.

Искусственный геном из двух генов успешно самовоспроизводится и эволюционирует
https://elementy.ru/novosti_nauki/433906/Iskusstvennyy_genom_iz_dvukh_genov_uspeshno_samovosproizvoditsya_i_evolyutsioniruet
Цитировать
Японским ученым удалось создать предельно простую систему, воспроизводящую некоторые базовые свойства клеточной жизни — способность к самовоспроизводству и эволюции на основе дарвиновского механизма отбора. В этой системе присутствует искусственный «геном» (кольцевая ДНК), который размножается посредством репликации и рекомбинации. «Геном» содержит гены, которые кодируют ферменты, обеспечивающие эти два процесса (ДНК полимеразу фага phi29 и рекомбиназу Cre).

Транскрипция и трансляция этих генов осуществляется готовым коктейлем ферментов и низкомолекулярных соединений, добавляемым в систему в каждом раунде репликации. Реакции протекают в искусственно формируемых микрокомпартментах — капельках водно-масляной эмульсии, что обеспечивает необходимое условие для конкуренции и адаптивной эволюции «генома». Мутации, накопившиеся в кодирующих и некодирующих участках «генома» за 30 раундов (поколений) самовоспроизводства, повысили эффективность репликации в системе за счет нескольких установленных в ходе исследования механизмов.
Цитировать
От одного гена к двум, а там будет видно…

Ну что же — все работает. Но что, если сделать еще один шаг в сторону повышения автономности системы: не добавлять рекомбиназу в виде очищенного белка, а включить ген этого фермента в сам реплицируемый геном? Ответ на этот вопрос как раз и стал основой для обсуждаемой статьи.
Цитировать
Конечно же, эта система еще сильно не дотягивает до того, чтобы представлять собой действительно некоторую форму «жизни». Помимо того, что для ее автономной работы не хватает большого количества необходимых белков, которые синтезировались бы внутри системы, здесь нет и намека на способность самостоятельно расти и делиться (формировать новые компартменты), осуществлять полноценный метаболизм (подразумевающий, в частности, активное введение определенных веществ внутрь клеток-компартментов и выведение других во внешнюю среду против градиента концентрации) и саморегуляцию. Но каждое из обозначенных выше свойств живого ученые постепенно учатся воссоздавать в искусственных биохимических системах, — эти работы ведутся многими лабораториями в разных странах. И все более реалистичным представляется, в свете последних достижений, сценарий появления в один прекрасный день новой «жизни из пробирки», эволюционно не связанной с LUCA — общим клеточным предком всех нынешних обитателей Земли.
P.S. О повышении автономности живых систем упоминал здесь (там целый гипотетический сценарий представил): 
https://paleoforum.ru/index.php/topic,9509.msg218092.html#msg218092

Степень автономности системы коррелирует со степенью «живости» (и даже, со степенью разумности) этой системы. Следует заметить, что автономность системы рассматривается по отношению к среде обитания (ближайшей и текущей). То есть, система более автономна именно к ближайшей/текущей среде обитания, а не вообще к среде обитания (живая система включена в среду обитания). По проявляемой степени автономности системы от среды мы разграничиваем живое и косное.

Оффлайн АrefievPV

  • Участник форума
  • Сообщений: 821
Re: Интересные новости и комментарии
« Ответ #2327 : Декабрь 10, 2021, 14:23:03 »
Нейронауки в Science и Nature. Выпуск 217: технологии стирания памяти, часть 2. Как работает эпизодическая память?
http://neuronovosti.ru/naturesci-217-2-cali/
Цитировать
Это вторая часть большой нейроновости, которая описывает результаты статьи ученых из Японии. Благодаря технологии CALI ученые смогли продемонстрировать этапы формирования эпизодической памяти. Они показали, что ее зарождение происходит в гиппокампе, активно идет в момент сна с помощью повторного проигрывания запоминаемого события и затем окончательно стабилизируется уже в новой коре. Известные идеи получили свое подтверждение.

В предыдущей нейроновости мы рассказали о том, как работает технология CALI и как ученые проверили ее эффективность при стирании энграмм памяти. 

CALI стирает память у мышей

Убедившись в эффективности технологии, ученые применили ее в поведенческих тестах, чтобы проверить, как она может стирать эпизодическую память мышей.

Исследователи обучали мышь избегать определенной части клетки. Они помещали животное в светлую часть клетки. Затем перед мышью открывалась дверка, за которой находилась темная часть клетки. Через некоторое время (время ожидания), мышь переходила на темную сторону. Однако как только она наступала на пол в темной части, на нее воздействовали током. Негативное подкрепление помогало мыши обучиться тому, что темную часть клетки нужно избегать.

На следующий день мышь вновь помещалась в ту же самую клетку. Перед ней открывалась дверь в темную часть. Чтобы перейти в нее, мыши требовалось время. И это время ожидания было больше, чем в первый день. Это свидетельствует о том, что мышь усвоила урок. Если же мыши в первый день не получали удара током (контрольная группа), то во второй день они, наоборот, демонстрировали меньшее время ожидания, чем в первый день.

Придумав такой нехитрый поведенческий эксперимент, ученые решили применить технологию CALI для мышей в экспериментальной группе. В первый день, когда мышей помещали в клетку, после чего те переходили на темную сторону силы клетки и получали удар током, их затем стимулировали с помощью CALI. На следующий день эти мыши переходили в темное пространство также быстро, как и мыши из контрольной группы. То есть воспоминания о негативном событии у них не формировалось.

Если на второй день эксперимента вновь ударить мышь током, но затем не применять CALI, то на третий день мышь будет избегать темной стороны клетки. При этом эффект наблюдается только в том случае, если воздействовать на нейроны, содержащие комплекс CFL-SN. 

Вывод 1: CALI успешно стирает воспоминание, сохраняя возможность нейронов записывать дальнейшие события.

В следующем эксперименте ученые проверили, что будет, если после электрического воздействия на мышь применять CALI в разные временные промежутки. Так же, как и в первой части статьи, где мы описывали, как ученые проверяли технологию, исследователи стимулировали нейроны через 2, 5, 10, 20, 60 и 120 минут, а также за минуту до воздействия током. Результаты можно видеть на графике: память стиралась только в определенный промежуток времени. Уже через час воздействие CALI не изменяло наше воспоминание.

Вывод 2: воздействие с помощью CALI на гиппокамп эффективно в первый час после события.

Затем ученые смотрели, как CALI будет изменять память на контекст. Для этого в первый день мышь помещали в одну клетку, а во второй — в другую. Клетки могли отличаться текстурой, формой, размерами. Мышь обучали в первой клетке. Через 2 часа помещали во вторую. Животное спокойно переходило в темную часть второй клетки (понимая, что это другая клетка и не ассоциируя негативное воспоминание с ней), но не совершала такого действия в первой. Это означает, что мышь понимала, что находится в разных контекстах.

Затем ученые проделывали следующее: в клетке А мышь получала удар током. Затем в клетке Б она получала и удар током, и стимуляцию с помощью CALI. На второй день мышь в клетке А длительное время раздумывала, нужно ли ей переходить на темную сторону. То есть для клетки А формировалась память. Но в клетке Б период ожидания был значительно меньше. То есть память не формировалась, как видно из графика выше.

Вывод 3: CALI позволяет стирать определенные воспоминания, а не воздействует на всю структуру памяти.

Память мышонка, как, вероятно, и человеческая память, начинает формироваться в гиппокампе. Через некоторое время гиппокамп переводит память в стабильную форму, сохраняет воспоминание в неокортексе.

Известно, что после того, как произошло какое-то событие, группа нейронов в гиппокампе кодирует это событие характерным паттерном активности. Через некоторое время, когда событие уже в прошлом, гиппокамп вдруг начинает вновь проигрывать это событие (только быстрее). Таким образом, он как бы повторяет его. А повторение, как известно — мать учения.

Первая активность нейронов гиппокампа называется онлайн активностью. Вторая — оффлайн (то есть без самого события). Ученые с помощью технологии CALI решили проверить, возможно ли стереть память при оффлайн потенциации.

Для этого мышей через два часа после обучения стимулировали светом (CALI). Стимуляция проводилась через каждые 20 минуты. Одну группу стимулировали в течение первых четырех часов (спустя два часа после обучения), вторую — в течение вторых четырех часов, третью — восемь часов подряд. Ученые обнаружили, что память после любого такого воздействия была стертой. Если во второй день вновь обучить мышь и не применять стимуляцию, воспоминание формировалось.

Вывод 3: локальная оффлайн активность в гиппокампе служила основной воспоминания. Такая активность протекает спустя два часа и вплоть до следующего дня.

Ученые не остановились на этом и решили проверить, что происходит с нашей памятью во время сна. Они с помощью электроэнцефалограммы и электромиограммы определяли, бодрствует ли животное или же спит. Если мышь спала, то на ее нейроны оказывали воздействие с помощью CALI.

На следующий день после такого воздействия память оказывалась стертой. Если же CALI применялась в период бодрствования, нарушения памяти не наблюдалось. Влияние на сон на второй день также не приводило к стиранию воспоминания.

Вывод 4: память стабилизируется во сне в первый день после события. Это происходит в гиппокампе.

И это еще не все! Ученые решили с помощью наблюдения за уровнем ионов кальция в клетках определить, какое влияние оказывает онлайн и оффлайн активность гиппокампа на формирование памяти. Что важнее: оффлайн или онлайн?

Они измеряли уровень ионов кальция в первый день, когда мышь находилась в клетке без воздействия током. На второй день мышь помещали в ту же клетку: как только она переходила на темную сторону, ее били током. В одной группе мышей через 2 минуты нейроны, которые показывали высокую активность, освещали светом. В другой группе ученые освещали активные нейроны через 2 часа после события с частотой — 3 раза в час.

Таким образом, в одной группе воздействие оказывалось на онлайн этап долговременной потенциации, а в другой — на оффлайн. Контрольная группа мышей получала удар током, но не получала свою порцию CALI. На третий день мыши вновь помещались в клетку и проходили тест. В этот момент ученые повторно измеряли уровень ионов кальция.

Оказалось, что нейроны, которые не подвергались воздействию током, показывали слабую активность на следующие дни. У мышей, которые подвергались воздействию, но не получали стимуляцию CALI, нейроны активировались сильнее. Если же на эти нейроны подействовать с помощью CALI — их активность уменьшалась. Самое интересное заключалось в том, что активность наблюдалась в строго определенных нейронах. То есть мозг мыши использовал избирательную активность нейронов на онлайн этапе. Затем, на оффлайн этапе, эта активность повторялась, вовлекая дополнительные нейроны.

Эти нейроны демонстрировали синхронную активность. После воздействия током эта активность увеличивалась. Строго определенные нейроны формировали синхронизированную сеть, которая содержала воспоминание о негативном событии. В группе, где применялась CALI, синхронизация уменьшалась.

Вывод 5: онлайн-потенциация формирует след памяти в виде синхронной активности группы нейронов. Оффлайн потенциация закрепляет эту активность.

А что же происходит с воспоминаниями на следующие дни? Почему воздействие CALI на сон во второй день не дало никакого результата? Принято считать, что след памяти дальше переходит в новую кору. Часто при помещении мышей в знакомую клетку на следующие дни, у них наблюдается повышенная активность в передней поясной извилине (ACC).

Первое, что сделали ученые — проверили временное окно формирования памяти в ACC. Они стимулировали ACC спустя 2 минуты после события (то есть когда память по идее находится в гиппокампе) или каждые 20 минут (до 8 часов после события). Такое воздействие не приводило к потере памяти (как видно на графике ниже). И это логично — воспоминание все еще находится в гиппокампе.



Если стимулировать ACC с помощью CALI каждые 20 минут на второй день после обучения, а затем тестировать память на третий день, то нарушения памяти будут обнаружены. Получается, что на второй день след памяти мигрирует из гиппокампа в ACC. Однако, стимуляция на 25-ый день никакого результата не даст.



Таким образом, если обучить животное на первый день, а затем стимулировать ACC с помощью CALI на 25-ый день, никакого эффекта не будет. Видимо, в этот момент память уже приобретает очень стабильную форму, на которую CALI повлиять не может.

Вывод 6: на второй день память переходит в ACC, где продолжает консолидироваться.

По сути ученые подтвердили уже известные факты о памяти с помощью новой технологии. CALI успешно тормозила раннюю стадию долговременной потенциации.

Ученые показали, что существует два этапа долговременной потенциации в гиппокампе: онлайн и оффлайн. Первая способствует появлению отдельных групп нейронов, кодирующих конкретное событие. Вторая — вовлекает в синхронную активность дополнительные нейроны, что способствует упрочнению следа памяти.

Третья стадия происходит уже в новой коре. Переход воспоминания в неокортекс начинается во время сна на следующий день. В этот момент долговременная потенциация в гиппокампе исчезает, а энграмма появляется в коре (ACC). При том характерная для кодируемого события нейрональная активность тоже мигрирует в новую кору: мозг словно постоянно повторяет информацию. Это приводит к окончательной консолидации памяти.

Оффлайн АrefievPV

  • Участник форума
  • Сообщений: 821
Re: Интересные новости и комментарии
« Ответ #2328 : Декабрь 17, 2021, 07:08:21 »
Удалось увидеть, как в мозжечке личинок данио-рерио строятся модели взаимодействия тела с внешним миром
https://elementy.ru/novosti_nauki/433910/Udalos_uvidet_kak_v_mozzhechke_lichinok_danio_rerio_stroyatsya_modeli_vzaimodeystviya_tela_s_vneshnim_mirom
Цитировать
Если посчитать нейроны в разных отделах мозга, то результат получится неожиданным. Окажется, что в сравнительно небольшом выросте заднего мозга — мозжечке — содержится больше нейронов, чем во всей остальной нервной системе! Наиболее убедительное объяснение этому состоит в том, что в хитросплетениях нейронных связей мозжечка закодированы внутренние модели всего, с чем сталкивается двигательная система организма в течение жизни. Пример такой модели: если напрячь бицепс, то рука согнется. Этот кажущийся самоочевидным факт — на самом деле знание (то есть модель), полученное с опытом. Поскольку таких моделей нужно бесчисленное множество, то и нейронов, лежащих в основе этих моделей, должно быть очень много.

Группа нейробиологов из Института Нейробиологии Макса Планка в Мюнхене поставила перед собой цель подтвердить или опровергнуть эту гипотезу о внутренних моделях в мозжечке. Для этого ученые поместили крошечных личинок рыбок Danio rerio в виртуальную реальность, где они выполняли двигательную задачу, для которой требуется мозжечок. Эти личинки настолько маленькие, что они целиком умещаются под объективом микроскопа. А значит, можно наблюдать активность всех нейронов в мозге, пока рыбки выполняют свою задачу.

Авторам удалось увидеть — в прямом смысле этого слова — признаки существования внутренних моделей в нейронной активности мозжечка. Поскольку личинки находились на очень раннем этапе развития (как онто-, так и филогенетически), результаты указывают на то, что внутренние модели — это первичная и самая древняя функция мозжечка, в свете которой и следует рассматривать эту структуру мозга.

Оффлайн АrefievPV

  • Участник форума
  • Сообщений: 821
Re: Интересные новости и комментарии
« Ответ #2329 : Январь 10, 2022, 08:33:50 »
Стимулом для появления многоклеточной жизни на Земле мог стать дефицит биодоступного железа
https://elementy.ru/novosti_nauki/433920/Stimulom_dlya_poyavleniya_mnogokletochnoy_zhizni_na_Zemle_mog_stat_defitsit_biodostupnogo_zheleza
Цитировать
Значение кислорода в зарождении и развитии сложной жизни на Земле общеизвестно. Кроме кислорода к «элементам жизни» относят водород, азот, углерод и фосфор. Но есть еще один химический элемент, тесно связанный в геохимическом плане с кислородом, роль которого в биологической эволюции ничуть не меньше. Это железо.

Начать хотя бы с того, что свободный кислород в атмосфере Земли появился только после того, как большая часть железа, растворенного в морской воде, окислилась и перешла в нерастворимую форму. Ученые из Великобритании и Франции выдвинули гипотезу, согласно которой образовавшийся при этом дефицит железа стал важным фактором движущей силы эволюции и способствовал появлению и развитию многоклеточных организмов.
Цитировать
По сравнению с современными эукариотами или многоклеточными организмами, более старые формы одноклеточной жизни, такие как бактерии и археи, для выживания больше нуждались в железе. Даже сегодня археи в геотермальных источниках Йеллоустона существуют только на матах из оксида железа, в то время как эукариоты могут жить вне этих минеральных источников.

Исследователи считают, что конкуренция за железо заставила бактерий и архей выработать новые виды поведения, позволяющие перерабатывать железо из мертвых клеток, красть железо из живых клеток или жить в другой клетке, используя для жизнедеятельности захваченное ею железо.

Так появились механизмы инфекции, фагоцитоза и эндосимбиоза, переключающие фокус получения железа с минеральных источников на другие формы жизни. Развитие этих механизмов, по мнению ученых, в конечном итоге привело к появлению сначала симбиотических союзов, а затем и полноценных многоклеточных организмов, использующих железо значительно более эффективно, чем древние одноклеточные.
Цитировать
Но в конце протерозоя (800–600 млн лет назад) произошел новый резкий скачок содержания кислорода в морской воде, известный как событие неопротерозойской оксигенации (L. M. Och, G. A. Shields-Zhou, 2012. The Neoproterozoic oxygenation event: Environmental perturbations and biogeochemical cycling), когда кислородом насытились все морские воды до глубин, на которые проникает солнечный свет, что привело к массовой гибели анаэробных цианобактерий и замене их аэробными, а содержание кислорода в атмосфере приблизилось к современным значениям (рис. 2).


Рис. 2. Изменение концентрации двух- и трехвалентного железа и парциального давления кислорода (fO2) в приповерхностных водах в течение геологической истории по отношению к современным значениям. Два резких скачка fO2 и падения уровня Fe2+ соответствуют Великому кислородному событию и событию неопротерозойской оксигенации. Рисунок из обсуждаемой статьи в PNAS

Это привело в конце протерозоя к перестройке всех биосистем и появлению многоклеточных организмов. Авторы считают, что предпосылкой для этого стала концентрация обладающих сидерофорами одноклеточных возле богатых железом геологических источников, что привело к «усложнению межклеточных взаимодействий».

На смену простого воровства железа — стратегии, которая присутствует до сих пор у некоторых бактерий, способных эффективно поглощать железо своих хозяев, — появилась новая более сложная стратегия симбиотического сотрудничества с использованием общих ресурсов. Характерный пример — богатые железом генерирующие энергию митохондрии, которые первоначально были бактериями, но затем вошли в состав эукариотических клеток.
Цитировать
Клетки, которые не могли сами использовать кислород для генерации энергии, имели серьезные ограничения в возможностях развития. Бактерии же, обладающие сидерофорами, могли это делать. Заключив внутрь себя такие бактерии, клетки получали собственный источник энергии. Одна клетка могла захватить сразу несколько бактерий (так, в специализированных клетках мозга, сердца и мышц современных животных содержатся сотни и даже тысячи митохондрий). Еще большее преимущество в плане использования питательных веществ и выработки энергии, по мнению исследователей, получили агрегаты клеток, собирающиеся вместе и действующие как единые сложные организмы (рис. 3).


Рис. 3. Варианты адаптации одноклеточных к низкой доступности железа. А (простые механизмы) — конкурентное (competition), обманное (cheating) и кооперативное (co-operation) поведение. Секреция сидерофоров позволяет получать железо из минерализованных источников, но также приводит к сложным взаимодействиям между бактериальными клетками и видами, что может способствовать генетической изменчивости. В (сложные механизмы) — эндосимбиоз и появление клеток с митохондриями (endosymbiosis), фагоцитоз или хищничество (phagocytosis), инфекция (infection), многоклеточность, обеспечивающая запуск рециклинга железа (multicellularity). Рисунок из обсуждаемой статьи в PNAS
Цитировать
Увеличение содержания кислорода в морской воде и атмосфере само по себе никак не способствовало развитию многоклеточности. Объединение клеток в многоклеточные агрегаты, действующие как единый организм, нужно было прежде всего для более эффективного использования дефицитных питательных веществ, таких как железо, сера или фосфор (о проблеме биодоступного фосфора на ранней Земле см. новости Жизнь на Земле могла возникнуть в щелочных озерах с высоким содержанием фосфора, «Элементы», 13.01.2020 и Накоплению биодоступного фосфора на ранней Земле способствовали удары молний, «Элементы», 31.03.2021). Внутри многоклеточных агрегатов эти вещества могли использоваться многократно, переходя от умирающих клеток к вновь образующимся. Такой механизм рециклинга давал многоклеточным организмам существенные преимущества перед одноклеточными.

Оффлайн АrefievPV

  • Участник форума
  • Сообщений: 821
Re: Интересные новости и комментарии
« Ответ #2330 : Январь 12, 2022, 07:17:46 »
Бактерии используют левозакрученную ДНК в качестве каркаса для биопленок
https://elementy.ru/novosti_nauki/433921/Bakterii_ispolzuyut_levozakruchennuyu_DNK_v_kachestve_karkasa_dlya_bioplenok
Цитировать

Рис. 1. Слева направо: участки двойных спиралей A-ДНК, B-ДНК и Z-ДНК. A- и B-формы закручены вправо, а Z-форма — влево. Нетрудно заметить, что формы ДНК отличаются друг от друга по множеству геометрических параметров: размерам витка, наличию и ширине бороздок, диаметру спирали и ряду других свойств. Рисунок с сайта ru.wikipedia.org
Цитировать
Двойные спирали молекул ДНК в живых клетках могут существовать в трех формах, различающихся геометрическими свойствами: правозакрученные A-ДНК и B-ДНК и левозакрученная Z-ДНК. Основная форма — B-ДНК, поэтому на нее «рассчитано» большинство клеточных белков, специализирующихся на взаимодействии с ДНК. Благодаря этому Z-ДНК, которая слишком сильно отличается от B-формы, для большинства клеточных ферментов недоступна. Как показано в недавнем исследовании, этим успешно пользуются некоторые бактерии, которые строят биопленки (в частности, на поверхности органов других организмов). Поскольку сами по себе молекулы ДНК довольно прочные, они хорошо подходят на роль каркаса биопленок. В процессе формирования биопленки бактерии при помощи специальных белков преобразуют выделяемую посредством аутолиза во внешнюю среду B-ДНК в Z-ДНК. Это делает каркас биопленки практически неуязвимым для иммунных клеток организма-хозяина.

Оффлайн АrefievPV

  • Участник форума
  • Сообщений: 821
Re: Интересные новости и комментарии
« Ответ #2331 : Январь 14, 2022, 10:03:12 »
Замена небольшого участка генома на синонимичный заставляет бактерию иначе решать ту же эволюционную задачу
https://elementy.ru/novosti_nauki/433922/Zamena_nebolshogo_uchastka_genoma_na_sinonimichnyy_zastavlyaet_bakteriyu_inache_reshat_tu_zhe_evolyutsionnuyu_zadachu
Цитировать
Биологическая эволюция базируется на двух основных процессах: мутационной изменчивости и естественном отборе. Мутационная изменчивость выступает в роли поставщика эволюционного материала, производя случайным образом разные мутации, из которых отбор сохраняет лишь полезные. Таким образом, согласно общепринятому представлению, именно отбор выполняет направляющую роль в эволюции и именно от него зависит, какими окажутся генотипы потомков, после того как в ряду поколений организмы адаптировались к какому-то новому неблагоприятному фактору среды.

Однако ученые из Великобритании, работая с двумя близкими, но немного разными штаммами бактерии Pseudomonas fluorescens с искусственно поломанной системой формирования жгутиков, показали, что сам процесс мутагенеза может иметь весьма закономерный характер и оказывается порой не менее значимым в предопределении конечного генофонда эволюционирующей и адаптирующейся популяции, чем фактор отбора. Спектры новообретенных мутаций, позволивших бактериям заново получить рабочий жгутик, оказались для разных штаммов разными, но хорошо воспроизводились в повторных экспериментах. А перестановка небольшого фрагмента ДНК между штаммами заставляла их переключаться с одного эволюционного пути на другой.
Цитировать
В английском языке для описания способности организма быстрее или медленнее формировать новые адаптации используют специальный термин evolvability. В русском языке для этого понятия, к сожалению, пока нет удобного эквивалента. Изучение факторов, благодаря которым у разных видов живых существ разная evolvability, — одно из горячих направлений в современной эволюционной биологии, в котором пока много открытых очень интересных вопросов. В частности, было бы здорово понять, могут ли эволюция и необходимость адаптации к часто меняющимся факторам среды содействовать формированию таких структурных особенностей молекул ДНК, которые повышают эту самую способность быстро производить новые адаптации (evolution of evolvability).

Оффлайн АrefievPV

  • Участник форума
  • Сообщений: 821
Re: Интересные новости и комментарии
« Ответ #2332 : Январь 18, 2022, 21:08:31 »
Чем важнее ген, тем реже он мутирует
https://elementy.ru/novosti_nauki/433924/Chem_vazhnee_gen_tem_rezhe_on_mutiruet
Цитировать
Изучение большого массива данных по мутагенезу у модельного растения Arabidopsis thaliana показало, что в разных участках генома мутации возникают с разной частотой.

Темп мутагенеза можно предсказать по эпигенетическим признакам, таким как уровень метилирования ДНК, открытость хроматина и модификации гистонов. Распределение этих эпигенетических меток, в свою очередь, зависит от функциональной нагрузки участков ДНК. В результате получается, что частота возникновения новых мутаций связана обратной зависимостью с функциональной важностью данного участка генома и с силой действующего на него очищающего отбора. Иначе говоря, в наиболее важных участках новые мутации не только активнее вычищаются отбором, но и реже возникают.

В частности, темп мутагенеза ниже внутри генов по сравнению с внешними (нетранскрибируемыми) областями и в жизненно важных генах, работающих постоянно, по сравнению с теми, что используются лишь эпизодически (например, включаются в ответ на какие-то внешние стимулы). По-видимому, в ходе эволюции у некоторых организмов под действием отбора развились молекулярные механизмы, снижающие частоту мутаций в наиболее важных частях генома. В основе их работы лежит привлечение ферментов репарации и других факторов, защищающих ДНК от повреждений, к определенным эпигенетическим меткам.

Исследование показало, что неслучайный мутагенез играет важную роль в эволюции геномов. Некоторые характерные особенности молекулярной эволюции, которые обычно объясняют действием отбора (например, ускоренное накопление различий в менее важных участках генома), на самом деле во многом объясняются неслучайным мутагенезом. Который, впрочем, сам является результатом эволюции под действием отбора.