Социальная и биологическая организация систем

[АrefievPV]

И ещё.

Дело в том, что первичная жизнь возникла в местах пересечения круговоротов вещества и энергии, сформировавшихся к тому времени на нашей планете. Разумеется, не в любых местах любых пересечений, а только в местах с определённым набором пересекающихся круговоротов.

Такими местами пересечения, скорее всего, была глобальная гидрогеологическая система, состоявшая из множества локальных гидрогеологических систем, периодически соединявшихся в единую сеть (или в большие фрагменты такой сети). Туда, кстати, на берега прудов вполне могло занести (либо сами пруды дотянулись до этих мест) одну из предковых форм «гибридов» («папу» или «маму», смотря кого кем считать). И, да, наша жизнь, по своему происхождению, уже изначально «гибрид».

В местах пересечения эти круговороты взаимодействовали и между собой, и со средой в данном месте. В результате такого взаимодействия и сформировались уже другие круговороты – гиперциклы (те самые, внутренние «закольцовки»), которые и есть химическая основа живых систем нашего типа жизни.

А я вам говорю про то, что вы не задумываетесь о причинах такой модели (типа, почему принята такая модель с центральной догмой).

У меня нет проблемы над этим думать, потому как трансляция от белка к геному ставит крест на базовом эволюционном принципе - сохранности.

...
И хотя я тоже придерживаюсь догмы, но не думаю, что в этом случае (в случае возможности обратной трансляции) будет нарушаться сохранность (можно ведь и другими механизмами обеспечить сохранность, там много контуров работает на сохранение). Мало того, некоторые белки (как и многие другие вещества) запросто влияют на гены (на их регуляторную функцию, на экспрессию генов), и никакую сохранность это не нарушает.

Добавлю.

Многие контуры и на изменения, и на сохранение замыкаются через внешнюю среду. Ведь сама по себе жизнь, как таковая, и возникла на пересечении подобных контуров. А вот контуры для направленных изменений или для конкретных локальных сохранений обычно замыкаются внутри живой системы.

[АrefievPV]

Вирусы и эволюция
https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/437377/Virusy_i_evolyutsiya
Интервью Бориса Штерна с Евгением Куниным

Небольшая цитата из интервью:

Определение более твердое можно сформулировать примерно так: вирусы — это облигатные внутриклеточные паразиты, обладающие геномами, которые кодируют как минимум структурный белок вирусных частиц.

Далее нужно понимать два момента. В первую очередь следует обратить внимание на то, что вирусы абсолютно вездесущи. Я бы сказал, что они вездесущие не только, так сказать, эмпирически, по факту, но и теоретически, поскольку паразиты непременно возникают в каждой реплицирующейся системе. Это абсолютно неизбежно. И вообще, я бы сказал, что этo — исключительно общий закон, который не ограничен биологией и обосновывается в теории игр. То есть те акторы, которые называются cheaters — обманщики, жулики, шулеры, — возникают совершенно детерминистским образом в любой системе, где есть какой-то ресурс, который можно украсть. В случае репликаторов это система репликации, система синтеза нуклеиновой кислоты и белка. Поскольку всё это можно украсть*, то обязательно возникают паразиты, которые это дело и воруют, а не производят.

— Теперь вопрос: откуда они взялись? Это какой-то неожиданный продукт, который произвели клетки себе на беду, или всё это возникло раньше клеток, независимо от этих паразитов?

— Из сказанного выше следует совершенно непреложный вывод, который состоит в том, что генетические паразиты (заметьте, я сейчас не говорю о вирусах, я уточню это) — т. е. нуклеиновые кислоты, которые представляют собой геномы, но кодируют не всё, что нужно для их репликации, воруя часть из этого, возникли вместе с первыми репликаторами. А это, как говорится, лишь один, простой вопрос. Второй, уже трудный: где и как возникли первые репликаторы? Разумеется, это произошло до клеток в полном современном понимании. Вот это всё, что есть в современных клетках, — большие геномы, состоящие из двухцепочечной ДНК, тысячи белков, многочисленные рибосомы, всё такое — не могло возникнуть, так сказать, одним скачком и сначала было что-то существенно более простое. И, в общем, для нашей темы сейчас не принципиально, как это что-то существенно более простое было устроено.

Я сильно подозреваю, что липидные пузырьки с самого начала имели большое значение. Это были как бы протоклетки. В начале жизни совершенно необходима была компартментализация, как говорится, — пространственное ограничение. Как это происходило в точности, наверное, для нашей темы сейчас даже и не важно. Было, несомненно, что-то, что можно назвать в широком смысле протоклетками, и внутри** них возникли первые репликаторы. Как только возникли первые репликаторы, они разделились на два класса: автономные репликаторы, которые заботятся о своей репликации сами, и паразиты, которые о ней не заботятся, а воруют. Как говорится, опять-таки, в теории игр — cooperators and defectors, кто-то сотрудничает, а кто-то предает. Так что, несомненно, генетические паразиты возникли до современных клеток.

P.S. Несколько замечаний.

* – Паразиты (паразитические процессы, паразитические явления, наводки там всякие и пр.) возникают не из-за того, что что-то можно украсть, а потому, что это абсолютно естественные сопутствующие явления и процессы, возникающие как наведённые (вторичные, производные, индуктивные) вокруг/около основных явлений и процессов в практически любой среде. Кроме того, живая система (и её основа – внутренняя «закольцовка») и сама «паразитирует» на внешних «закольцовках» – на круговоротах вещества и энергии в среде её обитания. Но это вовсе не означает, что живая система что-то там украла – не очень корректно использовать социальную терминологию для естественных физико-химических явлений.

Мало того, живые системы изначально и возникали в местах пересечения (и, соответственно, взаимодействия) таковых круговоротов. И в то время живые системы своего практически ничего не имели, всё («привод» метаболизма, «машинерия» по синтезу и репликации и т.д. и т.п.) было чужим (взятым в аренду у среды, так сказать), а сами живые системы обладали крайне ограниченной автономностью и практически полностью зависели от малейшего «пука» среды. То есть, в те времена живые системы были наведёнными/зависимыми процессами, происходящими в среде.

** – Сомневаюсь, что первые репликаторы возникли именно в протоклетках – они возникли вне протоклеток, а потом были перемещены в «дырявые» пузырьки.

Конечно, компартментализация важна, но маловероятно, что репликаторы (и прочая внутриклеточная «машинерия») возникли именно в пузырьках с условно герметичной мембраной/оболочкой (да и обмен с внешней средой нужен, чему мембрана/оболочка липидных пузырьков сильно препятствует). Вероятность того, что в каком-то пузырьке случайно соберётся весь необходимый набор «машинерии» для репликации, очень мала. Вероятность собраться выше в большом массиве пузырьков, но для нормального функционирования пузырьки должны быть «дырявыми».

Гораздо выше вероятность, что такой набор (среди множества подобных) возникнет в пруду (там и мест для компартментализации хватает – трещины, капилляры в породах дна и стенок прудов), и первичных (ещё неорганических – поверхностей апатитов там всяких) матриц для синтеза реплик тоже достаточно. Замыкание «закольцовки» (гиперцикла сложных химических реакций, продукты реакций последнего этапа которого являются реагентами для первого этапа реакций) также более вероятно в условиях свободного обмена вещества и энергии – то есть, в жидком содержимом пруда.

Другое дело, что самые первые варианты «закольцовок» были «сырыми и кривыми» (ну, что «закольцевалось», то и получилось). И протоплазменная форма жизни тоже прошла свою порцию ЕО на устойчивость, универсальность, автономность, воспроизводимость/репликативность. Занос частей/этапов гиперциклов и элементов «машинерии» в массивы «дырявых» пузырьков происходил постоянно, но  внутренняя «закольцовка» в пенном массиве возникала не всегда. А вот когда «закольцовка» возникла, тогда и начался отсчёт в эволюции уже протоклеточной формы жизни.

Поэтому, скорее всего, возникла «машинерия» вне протоклеток, а в протоклетки она была занесена через «дыры» в мембранах/оболочках пузырьков.

Кроме того, важно то, что протоклеточная форма жизни изначально сформировалась в виде протоколонии. Почему? Потому, что:
– Во-первых, вероятность собраться полному набору «машинерии» в массиве «дырявых» пузырьков гораздо выше, нежели собраться в одном изолированном «дырявом» пузырьке.
– А, во-вторых, вся эта неоптимизированная «машинерия» попросту не влезет в один пузырёк.

И эволюционировала протоклеточная форма жизни тоже в виде протоколоний (в результате чего, например, «машинерия» была настолько оптимизирована, что смогла уместится в одной протоклетке, которую с этого момента следует называть уже клеткой).

[АrefievPV]

«‎Микромолнии» в каплях воды могли повлиять на возникновение земной жизни
https://naked-science.ru/article/chemistry/mikromolnii-v-kaplyah
Как именно возникла жизнь на нашей планете — вопрос, который волнует ученых не одно столетие. На этот счет выдвигают самые разные гипотезы: от креационизма до панспермии. Есть среди них и версии о биохимической эволюции: под воздействием электрического разряда возникли химические реакции, которые могли привести к синтезу органических молекул из неорганических. Химики из Стэнфордского университета провели эксперимент и получили данные в поддержку этой версии.

В 1952 году химик Стэнли Миллер и физик Гарольд Юри из США провели классический эксперимент, в котором моделировались гипотетические условия раннего периода развития Земли. Цель: проверить возможности химической эволюции, а именно узнать, могли ли органические вещества возникнуть из неорганических под действием электрического разряда.

По сути, это была проверка гипотезы, ранее высказанной советским биологом Александром Опариным и британским популяризатором науки Джоном Холдейном. Исследователи предполагали, что условия, существовавшие на примитивной Земле, способствовали химическим реакциям, которые могли привести к синтезу органических молекул из неорганических.

Миллер и Юри создали замкнутую систему, состоящую из нескольких камер, соединенными между собой стеклянными трубками. Одну камеру заполнили водой (имитировала первичный океан), которая нагревалась, чтобы создать пар. Вторую наполнили газом, точнее смесью из метана (CH₄), аммиака (NH₃), водорода (H₂) и монооксида углерода (CO), предположительно, входившими в состав атмосферы ранней Земли. После чего в систему вводили электрические разряды (аналог молний). Эти разряды служили источником энергии для химических реакций между газом и паром.

Благодаря электрическим разрядам начинались химические реакции, во время которых из неорганических молекул стали образовываться органические. Эксперимент длился больше недели, в результате появились аминокислоты — строительные блоки жизни. Глицин оказался наиболее распространенным из всех аминокислот.

Исследователи пришли к выводу, что мощные удары молний в атмосфере ранней Земли могли запустить химические реакции, которые привели к синтезу органических молекул. 

Однако позже результат эксперимента Миллера—Юри подвергли критике. Предполагается, что молнии в период молодой Земли были слишком редким явлением, чтобы обеспечить массовое образование органики. Расчеты показали, что даже при активной грозовой деятельности за миллионы лет молнии не смогли бы создать достаточное количество органических соединений для запуска жизни.

Даже если электрические разряды генерировали органику, ее концентрация в океане была бы ничтожной. В те далекие времена океан занимал большую часть планеты, и молекулы, попавшие в воду, быстро рассеивались. Для образования сложных структур (вроде РНК или белков) нужна высокая локальная концентрация веществ, что невозможно в гигантском резервуаре.

Кроме того, вполне вероятно, что химические реакции замедлялись из-за разбавленности. В лаборатории Миллер и Юри использовали замкнутую систему, где происходило накопления продуктов. В реальном океане соединения могли разрушаться под действием ультрафиолета или окисляться.

Команда американских химиков и физиков из Стэнфордского университета под руководством Ричарда Заре (Richard Zare) провела свой эксперимент и предложила альтернативный механизм — вместо гигантских молний достаточно крошечных искр, рождающихся внутри обычных водяных брызг.

Ученые обнаружили, что при взаимодействии мельчайших капель воды в камере с газом возникают микроскопические электрические разряды — «микромолнии». По мнению авторов научной работы, такие крошечные вспышки могли синтезировать ключевые органические молекулы без участия мощных электрических разрядов.

Заре и его коллеги распылили воду в камере с газовой смесью, предположительно, повторяющей состав атмосферы ранней Земли: азот, метан, углекислый газ и аммиак. Никаких внешних источников энергии — только взаимодействие капель между собой.

Оказалось, при распылении в камере капли воды приобрели разные заряды: крупные — положительные, мелкие — отрицательные. Когда такие капли сталкивались или сближались, между ними проскакивали миниатюрные электрические разряды. С помощью высокоскоростных камер исследователям удалось зафиксировать вспышки света длительностью в наносекунды.

Эксперимент показал: мощности таких «микромолний» достаточно, чтобы запустить химические реакции, приводящие к образованию органических молекул с углеродно-азотными связями. Среди образовавшихся соединений были циановодород (предшественник аминокислот, HCN), простейшая аминокислота глицин (C₂H₅NO₂) и урацил (C₄H₄N₂O₂) — один из компонентов ДНК и РНК.

Открытие команды Заре позволяет по-новому взглянуть на процесс возникновения жизни. Вместо редких и мощных электрических разрядов ранняя Земля могла быть насыщена постоянными мелкими электрическими вспышками. Крошечные искры в водопадах, брызгах волн и струях пара могли стабильно синтезировать органические молекулы, создавая благоприятную среду для зарождения жизни.

Ученые отметили, что подобные процессы могут происходить при схожих условиях на других телах Солнечной системы. Например, на ледяных спутниках Юпитера и Сатурна, где, предположительно, есть вода. Возможно, именно в брызгах криовулканов Энцелада или в водяных шлейфах Европы уже сейчас происходят те же реакции, что миллиарды лет назад могли повлиять на возникновения жизни на нашей планете.

Результаты научной работы представлены в журнале Science Advances.

P.S. На ранней Земле водопадов, скорее всего, ещё не было, а вот небольшие гейзеры и грязевые вулканчики уже были, и при извержении воду (водные растворы, пароводяную взвесь) вполне могли разбрызгивать.

[АrefievPV]

Полногеномная дупликация дает немедленный адаптационный выигрыш
https://elementy.ru/novosti_nauki/434321/Polnogenomnaya_duplikatsiya_daet_nemedlennyy_adaptatsionnyy_vyigrysh

Американские ученые в ходе долговременного эксперимента на дрожжах изучили, как происходит полногеномная дупликация и какую роль в становлении многоклеточных колоний она играет. Выяснилось, что полногеномная дупликация является чрезвычайно эффективным механизмом для формировании крупных ансамблей клеток: она приносит почти моментальный адаптационный выигрыш своим носителям. Несмотря на нестабильность нового удвоенного генома, эта геномная перестройка дает немедленное преимущество перед обычными диплоидами, и если новые жесткие требования среды будут сохраняться, то отладка и стабилизация лишней геномной копии может произойти потом.

Новая публикация в журнале Nature разбирает пользу и ограничения полногеномной дупликации, или полиплоидии, которая довольно часто происходит в ходе эволюционных трансформаций популяций.

Благодаря этой работе проясняются важные детали эволюции с помощью полногеномной дупликации. Этот механизм исключительно эффективный, он приносит почти моментальный адаптационный выигрыш своим носителям. Нет нужды сначала отлаживать работу нестабильного генома, а уже потом получать адаптационное преимущество. Наоборот — полногеномная дупликация приносит пользу здесь и сейчас, а настройка и стабилизация всего генома происходит потом, если новые жесткие требования среды будут сохраняться в ходе стабилизации генома.

[василий андреевич]

Полногеномная дупликация дает немедленный адаптационный выигрыш

На мой взгляд, очень интересно. Ключевое "адаптационный выигрыш", т.е. если работа гена демонстрирует эффективность, то этот участок генома с большей вероятностью будет дуплицирован.
  В переводе к высшим, получаем половой отбор, зачастую, доводящий до гипертрофии органа.
  Однако вопрос трансляции мутации от соматики к половой клетке остается.

[АrefievPV]

Полногеномная дупликация дает немедленный адаптационный выигрыш

На мой взгляд, очень интересно. Ключевое "адаптационный выигрыш", т.е. если работа гена демонстрирует эффективность, то этот участок генома с большей вероятностью будет дуплицирован.

Второе ключевое вы пропустили. Там два ключевых момента (я текст цветом выделил):

Благодаря этой работе проясняются важные детали эволюции с помощью полногеномной дупликации. Этот механизм исключительно эффективный, он приносит почти моментальный адаптационный выигрыш своим носителям. Нет нужды сначала отлаживать работу нестабильного генома, а уже потом получать адаптационное преимущество. Наоборот — полногеномная дупликация приносит пользу здесь и сейчас, а настройка и стабилизация всего генома происходит потом, если новые жесткие требования среды будут сохраняться в ходе стабилизации генома.

И выявление эффективности работы генома (а также повышение вероятности нужных для адаптации изменений (в том числе, и удвоений) в каком-то участке генома) происходит в процессе настройки и стабилизации генома, который будет идти, пока сохраняется давление отбора (сохраняются жёсткие требования среды). Если полногеномная дупликация произошла, но давление отбора быстро прекратилось, то нужные адаптации в геноме не успели закрепиться (они, возможно, даже не успели сформироваться на уровне генов).

[Питер]

Роль  полногеномных   дупликаций   была  видна     из  данных   секвенирования  геномов  -  а  тут  очень  изящный   прямой   эксперимент.  Причем  все    просто  -  не  надо  делить  клетку в  митозе. Оставляем  все  в  одном   ядре  и вуаля ...

[василий андреевич]

  Полиплоидия, как любая избыточность, была бы репарирована хоть на клеточном, хоть на популяционном уровне, кабы не давала адаптационного преимущества "здесь и сейчас" (что и требовалось доказать). Причинность явления в стрессе, когда клетка пропускает, допустим, SOS-репарацию.
  Печень, косный мозг, эпителий - это характерные органы с функционированием полиплоидных клеток, по-видимому, испытывавшие стресс еще на эмбриональной(?) стадии, и подобный стресс продолжается у взрослого организма.

  Как и какие полигеномные нарушения "полезные" для соматики, "отражаются при путешествии будущей половой клетки" - это практически вопрос эпигенетики.
  Половой отбор, как причинно-следственный фактор стресса!? Выбрать в партнеры самца, который ведет себя или окрашен вызывающим (нетрадиционным) образом, значит среагировать собственным стрессом на чужой стресс. И не может быть, что бы в этом процессе не принимали участия нейроны, нащупывающие тупиковые варианты адаптогенеза.